RU2357870C1 - Method and system for laser marking precious stones, such as diamonds - Google Patents

Method and system for laser marking precious stones, such as diamonds Download PDF

Info

Publication number
RU2357870C1
RU2357870C1 RU2007135628/03A RU2007135628A RU2357870C1 RU 2357870 C1 RU2357870 C1 RU 2357870C1 RU 2007135628/03 A RU2007135628/03 A RU 2007135628/03A RU 2007135628 A RU2007135628 A RU 2007135628A RU 2357870 C1 RU2357870 C1 RU 2357870C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
specified
characters
laser
stage
protocol
Prior art date
Application number
RU2007135628/03A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вес БАРРОН (CA)
Вес БАРРОН
Бруно БУРЛИАГЕ (CA)
Бруно БУРЛИАГЕ
Марк ЛЕВЕСКЕ (CA)
Марк ЛЕВЕСКЕ
Алан КУРНОЙЕР (CA)
Алан КУРНОЙЕР
Даниель КАНТАН (CA)
Даниель КАНТАН
Ив ШАМПАНЬ (CA)
Ив ШАМПАНЬ
Original Assignee
Интернейшнел Джемстоун Реджистри Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US11/161,917 external-priority patent/US7284396B2/en
Application filed by Интернейшнел Джемстоун Реджистри Инк. filed Critical Интернейшнел Джемстоун Реджистри Инк.
Application granted granted Critical
Publication of RU2357870C1 publication Critical patent/RU2357870C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Adornments (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: present invention relates to the method and system for laser marking precious stones and, particularly to the method and system for engraving authentication codes. In the system for laser marking precious stones such as diamonds, marks consist of several microscopic dots, increase of which can be initiated upon effect on natural internal defects or impurities inside the precious stone of a strictly focused laser pulse sequence. The marks are inscribed by laser pulses, carrying significantly less energy than threshold energy required for inscription inside ideal material of precious stone. The method of laser marking and encryption takes into account random spatial distribution of defects, present in natural precious stones, as well as their much localised character. Authentication data are encrypted in the precious stone in the relative spatial arrangement of dots which form a mark. Dots, engraved under the surface of the precious stone, can be made undetectable to the naked eye and a magnifier through limiting their individual size to several micrometres. The mark can be detected using a special optical reading device.
EFFECT: laser inscription of permanent point marks inside precious stones.
40 cl, 14 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится, в общем, к способу и системе для лазерного мечения драгоценных камней и, в частности, к способу и системе гравирования кодов аутентификации, состоящих из нескольких микроскопических точечных меток, создаваемым путем воздействия на локализованные внутренние дефекты в объеме драгоценного камня управляемой последовательностью лазерных импульсов.The present invention relates, in General, to a method and system for laser marking of precious stones and, in particular, to a method and system for engraving authentication codes consisting of several microscopic point marks created by affecting localized internal defects in the volume of a gemstone controlled by a sequence of laser pulses.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION

Мечение драгоценных камнейTagging Gemstones

Предварительное вписывание однозначно определенной идентифицирующей метки или indicium (знак - лат.) на драгоценном камне, который украден, утерян или смешан в куче, очень помогает идентифицировать его в случае виндикации (истребования в судебном порядке) и последующего возвращения законному владельцу. Поэтому страховые компании настоятельно требуют метить драгоценные камни большой стоимости, поскольку многие из этих изделий страхуются. С другой стороны, вписывание indicium (далее - знак), который просто указывает место добычи или страну происхождения драгоценных камней, таких как алмазы, поможет эффективно предотвратить поступление так называемых «конфликтных алмазов» на предприятия по обработке алмазов, осуществляющие деятельность на законных основаниях.Pre-inscribing a uniquely identified identification tag or indicium (lat.) On a gem that is stolen, lost or mixed in a heap helps to identify it in case of vindication (legal reclamation) and subsequent return to its rightful owner. Therefore, insurance companies urgently need to tag gems of great value, since many of these products are insured. On the other hand, inscribing indicium (hereinafter “the mark”), which simply indicates the place of extraction or country of origin of precious stones such as diamonds, will help to effectively prevent the so-called “conflict diamonds” from entering legally operating diamond processing enterprises.

Мечение изделий разного характера в целях их однозначной идентификации, классификации, отслеживания или легкости виндикации уже хорошо освоено.The labeling of products of various nature in order to uniquely identify, classify, track or ease of vindication is already well developed.

Меченые знаки могут принимать вид читаемых человеком кодов, таких как логотипы, художественные изображения, пробы или заводские номера, из последовательности буквенно-цифровых знаков.Labeled characters can take the form of human-readable codes, such as logos, artwork, samples, or serial numbers, from a sequence of alphanumeric characters.

Можно вписывать и машинно-считываемые коды, такие как обычные одномерные штриховые коды или двухмерные массивы точечных меток, разработанные в соответствии с различными видами символик. Некоторые отличительные особенности драгоценных камней делают их мечение весьма затруднительным. Например, знаки приходится гравировать на поверхности очень мелких изделий, которые обычно имеют большое число еще меньших граней (фасетов), ориентированных в разных направлениях. Кроме того, если драгоценный камень устанавливается в оправу, для мечения доступна лишь ограниченная часть наружной поверхности камня. Эти трудности усугубляются тем фактом, что драгоценные камни, такие как алмазы, представляют собой материал очень высокой твердости, подверженный раскалыванию при резком механическом напряжении или чрезмерном локальном нагреве. И что более важно, вписывание постоянного знака на ограненном и полированном драгоценном камне никоим образом не должно ухудшать его внешний вид, снижать качество и денежную стоимость.You can enter machine-readable codes, such as ordinary one-dimensional bar codes or two-dimensional arrays of point labels, designed in accordance with various types of symbols. Some of the distinguishing features of gemstones make their marking very difficult. For example, signs have to be engraved on the surface of very small products, which usually have a large number of even smaller faces (facets) oriented in different directions. In addition, if the gemstone is installed in the frame, only a limited part of the outer surface of the stone is available for tagging. These difficulties are compounded by the fact that gemstones, such as diamonds, are very high hardness materials, prone to cracking under severe stress or excessive local heating. And more importantly, inscribing a permanent sign on a faceted and polished gemstone in no way should impair its appearance, reduce quality and monetary value.

Лазерное мечение знаков на поверхности драгоценных камнейLaser marking of gemstone marks

Среди различных способов, разработанных для постоянного мечения драгоценных камней, в промышленности по обработке драгоценных камней давно известно лазерное мечение. Один из предпочтительных способов лазерного мечения основан на использовании лазерного луча с соответствующими характеристиками, причем луч направляют на часть полированной поверхности драгоценного камня. Некоторые ключевые характеристики луча, такие как средняя мощность или энергия каждого импульса, условия фокусирования, длина волны и продолжительность воздействия лазером, подбирают таким образом, чтобы подвергнуть абляции тонкий слой поверхностного материала. Для лазерного мечения предложены и используются различные виды лазерных систем. Например, в патентах США 5149938, 5410125 и 5573684 (все выданные Уинстону (Winston) и др.), 6187213, выданном Смиту (Smith), 6483073, 6593543, 6747242 и 6788714 (все выданные Бендерли (Benderly)) описывается использование эксимерных лазеров, способных передавать ультрафиолетовое лазерное излучение, т.е. лазерное излучение длиной волны менее примерно 400 нм (нм - нанометр, 1 нм = 10-9 м). Предпочтительными являются лазерные лучи с более короткой длиной волны, поскольку диаметр гравированных участков и ширина гравированных линейных сегментов коррелируют с длиной волны луча. Следует отметить, что большинство самородных алмазов относятся к типу Ia. Их край полосы поглощения ультрафиолетового излучения соответствует длине волны примерно 291 нм, так что они практически прозрачны для длин волн в видимой области спектра - в диапазоне от 400 примерно до 700 нм. Однако в качестве лазерных источников для мечения драгоценных камней оказались привлекательными полупроводниковые лазерные системы, особенно если их первичный выходной луч является удвоенной частоты, чтобы получить окончательную длину волны обычно в диапазоне от 500 до 600 нм в видимой области спектра. Использование лазеров Nd:YAG для гравирования на поверхности драгоценных камней описано в патентах США 4392476 (выданном Грессеру (Gresser) и др.), 4467172 (выданном Эренуальду (Ehrenwald) и др.), 5753887 (выданном Розенвассеру (Rosenwasser) и др.) и 6713715 (выданном Кристенсену (Christensen) и др.), а использование лазеров Nd:YLF раскрыто в патентах США 5932119, 6211484, 6476351 и 6684663 (все выданные Каплан (Kaplan) и др.). Лазерные лучи, имеющие площадь поперечного сечения достаточной величины, при попадании на поверхность изделия могут создавать посредством абляции рисунки сложных форм путем использования маски, в которой механически выполнены вырезы, точно воспроизводящие форму необходимого рисунка. Альтернативно, знаки, имеющие сложные рисунки, можно гравировать лазерным лучом, очень точно сфокусированным на очень маленький участок на поверхности изделия. Для этой цели изделие может устанавливаться оснащенным электроприводом столиком для перемещения в трех направлениях (XYZ) с предварительно запрограммированными перемещениями. Другой подход заключается в использовании устройства управления лучом для сканирования управляемым образом лазерного луча по ограниченной поверхности изделия, которое удерживается неподвижным. Даже при очень точном фокусировании средняя мощность или энергия каждого импульса, подаваемого лазерным источником, может оказаться недостаточной для порога абляции поверхности драгоценных камней, таких как алмаз, которые представляют собой материал очень высокой твердости и обычно прозрачный. В таком случае перед воздействием лазерного луча на поверхность изделия можно нанести светопоглощающий материал, такой как краска или паста для мечения. Альтернативой использованию светопоглощающих покрытий служит использование импульсного лазера, который может излучать лазерные импульсы продолжительностью менее примерно 1 нс (нс - наносекунда, 1 нс = 10-9 с) для снижения пороговой энергии для испарения большинства материалов, как описано в патенте США 6713715 (выданном Кристенсену и др.).Among the various methods developed for the permanent labeling of precious stones, laser marking has long been known in the precious stone processing industry. One of the preferred methods of laser marking is based on the use of a laser beam with the appropriate characteristics, and the beam is directed to part of the polished surface of the gem. Some key characteristics of the beam, such as the average power or energy of each pulse, the focusing conditions, the wavelength and the duration of the laser exposure, are selected so as to ablate a thin layer of surface material. For laser marking, various types of laser systems have been proposed and used. For example, U.S. Patent Nos. 5149938, 5410125 and 5573684 (all issued to Winston et al.), 6187213 to Smith, 6483073, 6593543, 6747242 and 6788714 (all to Bendery) describe the use of excimer lasers, capable of transmitting ultraviolet laser radiation, i.e. laser radiation with a wavelength of less than about 400 nm (nm - nanometer, 1 nm = 10 -9 m). Shorter wavelengths are preferred because the diameter of the engraved sections and the width of the engraved linear segments correlate with the wavelength of the beam. It should be noted that most native diamonds are of type Ia. Their edge of the absorption band of ultraviolet radiation corresponds to a wavelength of about 291 nm, so that they are practically transparent for wavelengths in the visible region of the spectrum - in the range from 400 to about 700 nm. However, semiconductor laser systems have proven attractive as laser sources for labeling gemstones, especially if their primary output beam is doubled in frequency to obtain the final wavelength, usually in the range of 500 to 600 nm in the visible spectrum. The use of Nd: YAG lasers for engraving on the surface of gemstones is described in US Pat. Nos. 4,392,476 (issued to Gresser et al.), 4,467,172 (issued to Ehrenwald and others), 5,753,887 (issued to Rosenwasser and others) and 6713715 (issued to Christensen and others), and the use of Nd: YLF lasers is disclosed in US patents 5932119, 6211484, 6476351 and 6684663 (all issued by Kaplan and others). Laser beams having a cross-sectional area of sufficient size, when hit on the surface of the product, can create patterns of complex shapes by ablation by using a mask in which cutouts are mechanically made to accurately reproduce the shape of the desired pattern. Alternatively, signs having complex patterns can be engraved with a laser beam that is very precisely focused on a very small area on the surface of the product. For this purpose, the product can be installed with an electric drive table for moving in three directions (XYZ) with pre-programmed movements. Another approach is to use a beam control device for controllably scanning a laser beam over a limited surface of an article that is held stationary. Even with very precise focusing, the average power or energy of each pulse supplied by the laser source may not be sufficient for the threshold of ablation of the surface of gemstones such as diamond, which are very high hardness materials and usually transparent. In this case, before exposure to the laser beam, a light-absorbing material such as paint or labeling paste can be applied to the surface of the product. An alternative to using light-absorbing coatings is the use of a pulsed laser that can emit laser pulses of less than about 1 ns duration (ns is a nanosecond, 1 ns = 10 -9 s) to lower the threshold energy for the evaporation of most materials, as described in US Pat. No. 6,713,715 (issued to Christensen) and etc.).

Знаки, выгравированные с использованием обычного способа, описанного в указанных выше противопоставленных патентах, не ухудшают внешний вид и сортировку драгоценных камней, поскольку эти метки обычно гравируются на части поверхности рундиста (называемого также пояском) драгоценных камней. В частности, эти метки, выгравированные на алмазах, часто создают некоторое потемнение из-за роста поверхностного слоя графита в процессе лазерной абляции. Во многих случаях присутствие графита представляет собой несущественную проблему, и, фактически, оно может помочь обеспечить лучшую видимость знаков, если они предназначены для считывания при помощи лупы малого увеличения. При необходимости в этом слой графита можно удалить поверхностной обработкой. Пример такой обработки приводится в патенте США 4467172 (выданном Эренуальду и др.); она заключается в прикладывании температуры +700°С в сочетании с хлористоводородной (соляной) кислотой. Помимо высококонтрастного внешнего вида знаков, создаваемого присутствием слоя графита на гравированных участках поверхности, любой знак можно сделать более легким для обнаружения и распознания просто путем его увеличения. Преимущество вписывания легковидимых знаков, имеющих достаточно большие размеры, заключается в том, что в некоторых конкретных случаях они могут служить как эффективные средства удерживания от воровства.Signs engraved using the conventional method described in the above opposed patents do not impair the appearance and sorting of the gemstones, since these marks are usually engraved on a part of the surface of the girdle (also called girdle) of the gemstones. In particular, these marks engraved on diamonds often create some darkening due to the growth of the surface layer of graphite during laser ablation. In many cases, the presence of graphite is an insignificant problem, and, in fact, it can help provide better visibility of signs if they are designed to be read with a small magnifier. If necessary, this layer of graphite can be removed by surface treatment. An example of such processing is given in US Pat. No. 4,467,172 (issued to Ehrenuald et al.); it consists in applying a temperature of + 700 ° C in combination with hydrochloric (hydrochloric) acid. In addition to the high-contrast appearance of the signs created by the presence of a graphite layer on the engraved parts of the surface, any sign can be made easier to detect and recognize simply by increasing it. The advantage of inscribing easily visible signs that are large enough is that in some specific cases they can serve as effective deterrents against theft.

К сожалению, видимые знаки, вписанные непосредственно на поверхности драгоценных камней, можно легко подделать путем простой переполировки гравированной части поверхности рундиста или используя другие виды поверхностных обработок. После этой операции, возможно, последует мечение нового, но незаконного знака. Поверхностная обработка с целью убрать знак, выгравированный на поверхности драгоценного камня, будет заключаться, например, в удалении любого следа графита в выгравированном рисунке (при наличии такового) и затем заполнении выгравированных зон определенным видом продукта для заполнения трещин или изломов, хорошо известным в данной области. Даже если мечение на части поверхности пояса не ухудшает внешний вид и сортировку драгоценного камня, знак, вписанный на рундисте, может стать скрытым, если мечение будет перенесено на драгоценный камень перед его установкой в оправу. Многие оправы имеют захваты, которые не дают получить визуальный доступ ко всей поверхности рундиста.Unfortunately, visible signs inscribed directly on the surface of precious stones can be easily faked by simply polishing the engraved part of the surface of the girdle or using other types of surface treatments. After this operation, perhaps, a marking of a new but illegal sign will follow. Surface treatment in order to remove the sign engraved on the surface of the gemstone will consist, for example, of removing any trace of graphite in the engraved pattern (if any) and then filling the engraved areas with a certain type of product to fill cracks or fractures, well known in this field . Even if the marking on a part of the surface of the belt does not impair the appearance and sorting of the gemstone, the mark inscribed on the girdle may become hidden if the marking is transferred to the gemstone before it is mounted in the frame. Many frames have grips that prevent visual access to the entire surface of the girdle.

С другой стороны, в некоторых других случаях может потребоваться, чтобы идентификация была как можно менее заметной во избежание неразрешенного обнаружения. Очевидный путь достичь этой цели - вписывать знаки с очень мелкими общими размерами. Как уже отмечалось, размер наименьших деталей, которые можно вписать лазерным лучом, сфокусированным обычной оптикой, по существу ограничивается длиной волны света, достигающей того, что называется пределом дифракции света. К сожалению, мощные, надежные и относительно недорогие лазеры, излучающие на длинах волн короче примерно 190 нм и конструктивно исполненные для промышленного применения, по-прежнему отсутствуют.On the other hand, in some other cases, the identification may be required to be as low as possible to avoid unauthorized detection. The obvious way to achieve this goal is to inscribe signs with very small overall dimensions. As already noted, the size of the smallest details that can be entered by a laser beam focused by conventional optics is essentially limited by the wavelength of light reaching what is called the diffraction limit of light. Unfortunately, powerful, reliable and relatively inexpensive lasers emitting at wavelengths shorter than about 190 nm and structurally designed for industrial applications are still missing.

Значительное усовершенствование существующих методов лазерного мечения на поверхности драгоценных камней осуществлено путем использования специального метода, известного как ближнеполевая оптика. В патенте США 6624385, патентной заявке США 10/607184 и патентной заявке США 10/607185 (изобретатели Паттон (Patton) и др.) описывается использование ближнеполевой оптики для мечения драгоценных камней самыми различными лазерами, такими как эксимерные лазеры и лазеры Nd:YAG с удвоенной частотой. Этот способ позволяет вписывать «микрознаки», состоящие из элементов, размеры которых намного меньше, чем допускает предел оптической дифракции. Ближнеполевую оптику можно реализовать путем подачи лазерного луча через сужающиеся оптические волокна или, предпочтительнее, путем использования твердой иммерсионной линзы, плоская выходная поверхность которой установлена в тесном контакте с частью поверхности драгоценного камня.Significant improvement of the existing methods of laser marking on the surface of precious stones was carried out using a special method known as near-field optics. U.S. Patent 6,624,385, U.S. Patent Application 10/607184 and U.S. Patent Application 10/607185 (inventors of Patton et al.) Describe the use of near-field optics for marking gemstones with a wide variety of lasers, such as excimer lasers and Nd: YAG lasers with double frequency. This method allows you to enter "microsigns" consisting of elements whose dimensions are much smaller than the optical diffraction limit allows. Near-field optics can be realized by supplying a laser beam through tapering optical fibers or, preferably, using a solid immersion lens, the flat exit surface of which is installed in close contact with part of the surface of the gemstone.

В дополнение к известным недостаткам лазерного мечения на поверхности драгоценных камней мечение микрознаков очень мелких размеров может затруднить их нахождение в течение разумного времени. Обычно должен предоставляться ключ для поиска, или же микрознаки должны вписываться в точных местах относительно некоторых заметных ориентиров на камне, таких как геометрический центр таблички (плоской части короны бриллиантовой огранки). Кроме того, считывание едва различимых микрознаков обычно осуществляется с помощью сложных и дорогих устройств. Наконец, для удаления следов любого незаметного микрознака контрафактор может легко переполировать всю наружную поверхность украденного драгоценного камня.In addition to the known disadvantages of laser marking on the surface of precious stones, marking micro-signs of very small sizes can make it difficult to find them within a reasonable time. Usually a search key should be provided, or microsigns should fit in exact places relative to some noticeable landmarks on the stone, such as the geometric center of the plate (the flat part of the diamond-cut crown). In addition, the reading of subtle micro-signs is usually carried out using complex and expensive devices. Finally, to remove traces of any inconspicuous micro-sign, the counterfeit can easily re-polish the entire outer surface of the stolen gem.

Лазерное мечение знаков в объеме прозрачных материаловLaser marking of signs in the volume of transparent materials

Независимо от общего размера и сложности знак можно сделать очень трудным, если вообще невозможным, для подделки, если выгравировать его достаточно далеко от поверхности драгоценного камня с оставлением наружной поверхности, не измененной процессом мечения. В этом случае слой материала, находящийся между знаком и наружной поверхностью, служит толстым защитным барьером, так что изменить знак без причинения больших и непоправимых повреждений изделию, меченому таким образом, становится очень трудным. Для мечения изделий свойства, размеры и использования которых радикально отличаются от таковых обычных драгоценных камней, разработаны способы подповерхностного мечения лазерным лучом. Например, в патенте США 5206496, выданном Клементу (Clement) и др., описывается подповерхностное лазерное мечение зон повышенной непрозрачности в теле прозрачных материалов, таких как стекла и пластмассы. Предложен способ мечения тары, которая используется, например, для дорогих парфюмерных изделий, которые продаются в ограниченном количестве в фирменных магазинах. Мечение в объеме материала дает преимущество не только способности выдерживать любую поверхностную обработку (включая переполировку), но очень большой трудности для точного копирования злоумышленниками. Лазерное мечение ниже поверхности алмазов вкратце описано в патенте США 4467172 (выданном Эренуальду и др.), однако в описании изобретения к этому патенту не приводятся сведения о контроле формы, размеров и глубины подповерхностных замкнутых меток.Regardless of the overall size and complexity, the mark can be made very difficult, if not impossible at all, to counterfeit, if it is engraved far enough from the surface of the gem, leaving the outer surface unchanged by the marking process. In this case, the layer of material between the sign and the outer surface serves as a thick protective barrier, so changing the sign without causing major and irreparable damage to the product marked in this way becomes very difficult. For the labeling of products properties whose dimensions and uses are radically different from those of ordinary gemstones, methods have been developed for subsurface labeling with a laser beam. For example, US Pat. No. 5,206,496 to Clement et al. Describes subsurface laser marking of areas of increased opacity in the body of transparent materials such as glass and plastics. A method for labeling containers is proposed, which is used, for example, for expensive perfumes that are sold in limited quantities in company stores. Labeling in the bulk of the material gives an advantage not only the ability to withstand any surface treatment (including repolishing), but also very difficult for attackers to accurately copy. Laser marking below the surface of diamonds is briefly described in US Pat.

Вписывание меток (именуемых также «микроструктурами») в объеме различных материалов лазерными лучами - это концепция, являющаяся многообещающей для вписывания двух- и даже трехмерных массивов плотно упакованных точечных меток для постоянного хранения оптических данных. Эта концепция привлекательна и для построения оптических волноводов, служащих для проведения света в объем оптических материалов, таких как кварцевое стекло. Для обоих видов применений, упомянутых выше, требуется использование записывающего лазерного луча с жестко контролируемыми временными и пространственными характеристиками, чтобы вписать микроструктуры точных размеров и форм в объеме прозрачного материала без причинения какого-либо нежелательного повреждения середине материала или его наружной поверхности. В патенте США 5671111, выданном Глезеру, хотя и относящемуся, главным образом, к хранению оптической информации, описывается использование ультракоротких лазерных импульсов для получения не имеющих трещин микроструктур правильной формы с высококонтрастным показателем преломления в различных прозрачных материалах. К этим материалам относятся кварцевое стекло, пластмассы, полупроводники, сапфир и даже мелкие кристаллы и ювелирные изделия. В вышеуказанном патенте рассмотрены три разных режима мечения, первый из которых обеспечивает лучший контроль формы и размеров вписанных микроструктур. Этот режим основан на использовании жестко сфокусированного импульсного лазерного луча с крайне короткой длительностью импульса, т.е. в пределах от нескольких фс (фс - фемтосекунда, 1 фс = 10-15 с) примерно до 200 пс (пс - пикосекунда, 1 пс = 10-12 с). Другое требование этого конкретного режима мечения относится к энергии, переносимой каждым лазерным импульсом, которая должна быть сравнимой (или в несколько раз выше ее) с пороговой энергией, требуемой, чтобы вызвать постоянные структурные изменения (повреждения) во вмещающем прозрачном материале при выбранных длине волны лазера и характеристик фокусирования.Inserting marks (also called “microstructures”) in the volume of various materials by laser beams is a concept that is promising for incorporating two- or even three-dimensional arrays of densely packed point marks for permanent storage of optical data. This concept is also attractive for constructing optical waveguides used to conduct light into the bulk of optical materials, such as silica glass. For both types of applications mentioned above, the use of a recording laser beam with tightly controlled temporal and spatial characteristics is required to fit microstructures of exact sizes and shapes into the bulk of the transparent material without causing any undesirable damage to the middle of the material or its outer surface. U.S. Patent 5,671,111, issued to Glaser, although mainly related to the storage of optical information, describes the use of ultrashort laser pulses to produce crackless microstructures of regular shape with a high contrast index of refraction in various transparent materials. These materials include quartz glass, plastics, semiconductors, sapphire, and even small crystals and jewelry. The above patent describes three different labeling modes, the first of which provides better control over the shape and size of the inscribed microstructures. This mode is based on the use of a rigidly focused pulsed laser beam with an extremely short pulse duration, i.e. ranging from a few fs (fs is a femtosecond, 1 fs = 10 -15 s) to about 200 ps (ps is a picosecond, 1 ps = 10 -12 s). Another requirement of this particular labeling regime relates to the energy carried by each laser pulse, which should be comparable (or several times higher) with the threshold energy required to cause permanent structural changes (damage) in the surrounding transparent material at the selected laser wavelength and focus characteristics.

Результаты успешной демонстрации этого способа подповерхностного мечения приведены в вышеупомянутом патенте и статьях в журналах, таких как Е. N. Glezer et al. (Глезер и др.), "Three-dimensional optical storage inside transparent materials" («Хранение трехмерной оптической информации внутри прозрачных материалов»), Optics Letters, Vol.21, p.2023-2025 (1996), и Е. N. Glezer et al., "Ultrafast-laser driven micro-explosions in transparent materials" («Вызываемые сверхбыстрым лазером микровзрывы в прозрачных материалах»), Applied Physics Letters, Vol.71, p.882-884 (1997). Например, авторам удалось вписать двухмерный массив микроструктур с низкоконтрастным показателем преломления, отстоящих друг от друга примерно на 2 мкм (мкм - микрометр, 1 мкм = 10-6 м) и имеющих диаметр в пределах 200-250 нм, если смотреть с поверхности, на которую падал лазерный луч. Микроструктуры были вписаны на глубине 100 мкм от поверхности записывающей среды, изготовленной из кварцевого стекла. Следует, однако, отметить, что в указанных патенте и связанных с ним журнальных статьях не сообщается о какой-либо успешной попытке мечения в объеме алмазного материала. Фактически, в этих противопоставленных материалах лишь упоминается о том, что порог энергии для вызывания структурных изменений в объеме алмазов выше, чем пороги энергии большинства других прозрачных материалов, не менее чем в 100 раз.The results of a successful demonstration of this subsurface tagging method are given in the aforementioned patent and journal articles such as E. N. Glezer et al. (Glezer et al.), "Three-dimensional optical storage inside transparent materials" (Optics Letters, Vol.21, p.2023-2025 (1996), and E. N. Glezer et al., "Ultrafast-laser driven micro-explosions in transparent materials", Applied Physics Letters, Vol. 71, p. 882-884 (1997). For example, the authors managed to enter a two-dimensional array of microstructures with a low contrast index of refraction, spaced about 2 μm apart (μm - micrometer, 1 μm = 10 -6 m) and having a diameter of 200-250 nm, when viewed from the surface, on which was hit by a laser beam. The microstructures were inscribed at a depth of 100 μm from the surface of the recording medium made of quartz glass. However, it should be noted that the said patent and related journal articles do not report any successful attempt to label in the volume of diamond material. In fact, in these opposed materials, it is only mentioned that the energy threshold for causing structural changes in the volume of diamonds is higher than the energy thresholds of most other transparent materials, not less than 100 times.

Лазерное мечение в объеме алмазовLaser marking in the volume of diamonds

Заинтригованный не доведенной до своего логического завершения ситуацией, только что описанной выше, и, видимо, не зная о патенте США 4467172 (выданном Эренуальду и др.), Дж.Б.Эшком (J.В.Ashcom) провел более систематизированные экспериментальные исследования, направленные на мечение в теле образов самородных монокристаллических алмазов типа Ia и IIa лазерными импульсами длительностью несколько фемтосекунд. О своих основных результатах он сообщил в главе 4 своей докторской (доктор философии) диссертации, озаглавленной "The Role of Focusing in the Interaction of Femtosecond Laser Pulses with Transparent Materials" («Роль фокусирования во взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с прозрачными материалами») (Гарвардский университет, г.Кембридж, шт.Массачусетс, январь 2003 г.). Эшком отметил, что направление последовательности фемтосекундных лазерных импульсов на один и тот же участок в образце алмаза может вызвать оптические повреждения (микроструктуры) в объеме образца, но только при фокусировании лазерных импульсов объективом микроскопа, имеющим числовую апертуру в пределах примерно 0,25-0,45. Эшком, несомненно, преуспел в мечении микроструктур на глубине примерно 40 мкм ниже поверхности образца алмаза, используя лазерные импульсы, переносившие энергию, которая менялась в пределах примерно от 20 до 90 нДж (наноджоулей). Одним из важных моментов его экспериментальных исследований является то, что даже при самом высоком уровне энергии и самом большом числе импульсов, которое он использовал, были случаи, когда в образцах самородного алмаза не было внутренних повреждений. Кроме того, присутствовала статистически значимая составляющая для начала вызванного лазером повреждения от участка к участку одного и того же образца алмаза, а также от образца к образцу. Высказанными как возможная причина этого стохастического поведения были пространственные изменения концентрации примесей, присутствовавших в образцах самородного алмаза. В диссертации другого участника той же группы (Дж.К.Хванг (J.С.Hwang), Гарвардский университет, г.Кембридж, шт.Массачусетс, январь 2003 г.) сообщается также о том, что созданные микроструктуры имели темный и непрозрачный вид, что гипотетически было объяснено присутствием графита и, более вероятно, образованием аморфного углерода внутри каждой микроструктуры. Зная об этих результатах, Эшком пришел к выводу, что успешное мечение в объеме алмазов маловероятно.Intrigued by the situation just described above not brought to its logical conclusion, and apparently not knowing about US patent 4467172 (issued by Ehrenuald et al.), J. B. Ashcom conducted more systematic experimental studies. aimed at labeling in the body of images of native single-crystal diamonds of type Ia and IIa with laser pulses of a few femtosecond duration. He reported on his main results in Chapter 4 of his doctoral (Ph.D.) dissertation entitled "The Role of Focusing in the Interaction of Femtosecond Laser Pulses with Transparent Materials" (Harvard University of Cambridge, Massachusetts, January 2003). Eshkom noted that the direction of a sequence of femtosecond laser pulses to the same section in a diamond sample can cause optical damage (microstructures) in the sample volume, but only when the laser pulses are focused by a microscope objective having a numerical aperture in the range of about 0.25-0. 45. Eshkom undoubtedly succeeded in tagging microstructures at a depth of about 40 μm below the surface of a diamond sample using laser pulses that transferred energy that varied from about 20 to 90 nJ (nanojoules). One of the important points of his experimental studies is that even with the highest energy level and the largest number of pulses that he used, there were cases when there were no internal damage in the samples of native diamond. In addition, there was a statistically significant component for initiating laser damage from site to site of the same diamond sample, and also from sample to sample. Expressed as a possible reason for this stochastic behavior were spatial changes in the concentration of impurities present in samples of native diamond. A dissertation by another member of the same group (J.C. Hwang, Harvard University, Cambridge, Massachusetts, January 2003) also reports that the microstructures created were dark and opaque , which was hypothetically explained by the presence of graphite and, more likely, the formation of amorphous carbon inside each microstructure. Aware of these results, Eshkom concluded that successful labeling in the volume of diamonds is unlikely.

О решающей роли, которую играют примеси и дефекты при создании меток в объеме материала драгоценного камня, более наглядно свидетельствует микрофотоснимок, показанный на фиг.1А. Пять лазерных импульсов длительностью примерно 150 фс были сфокусированы все в одном и том же объеме внутри образца самородного алмаза. Вместо одной метки, отцентрированной на пике профиля интенсивности сфокусированного луча, на фиг.1А показано, что были созданы по меньшей мере три отличных метки, каждая из которых находилась вне объема, в котором записывающий лазерный луч достиг своего самого узкого поперечного размера пятна. Локальный оптический флюенс (интегральная плотность оптического потока) в месте каждого темного пятна, видного на этой фигуре, был затем значительно ниже, чем максимальный флюенс записывающего лазерного луча, но, тем не менее, он был достаточным для инициирования структурных изменений в местах, где в материале присутствовали хорошо локализированные дефекты и примеси. На фиг.1В представлено еще одно свидетельство локализированного характера и случайного распределения естественно существующих дефектов и примесей. На этой фигуре показан микрофотоснимок, сделанный на площади поверхности образца самородного алмаза, по которой жестко сфокусированный фемтосекундный лазерный луч переносился по линейной траектории с постоянной скоростью 1 мм/с. Лазерные импульсы с энергией 50 мкДж подавались с частотой 1 кГц, и след, показанный на этой фигуре, проходит на расстоянии примерно 2 мм. Как видно на этом микрофотоснимке, след, вписанный в объеме этого конкретного образца самородного алмаза, далек от непрерывного, поскольку состоит из мелких темных пятен со случайным распределением вдоль траектории. Поразительной особенностью этого микрофотоснимка является присутствие длинного сегмента следа, находящегося в центральной зоне фигуры, где нет каких-либо темных пятен. С другой стороны, в некоторых местах левой части следа видны плотно упакованные темные пятна. Кроме того, многие из этих пятен находятся либо выше, либо ниже оси траектории, а это означает, что они были образованы в местах, где локальный оптический флюенс луча не был на своем максимальном пиковом уровне.The decisive role played by impurities and defects in creating marks in the volume of the gemstone material is more clearly indicated by the microphotograph shown in Fig. 1A. Five laser pulses with a duration of approximately 150 fs were focused all in the same volume inside a sample of native diamond. Instead of a single mark centered on the peak of the intensity profile of the focused beam, FIG. 1A shows that at least three distinct marks were created, each of which was outside the volume in which the recording laser beam reached its narrowest transverse spot size. The local optical fluence (integrated optical flux density) at the location of each dark spot visible in this figure was then significantly lower than the maximum fluence of the recording laser beam, but, nevertheless, it was sufficient to initiate structural changes in places where The material contained well localized defects and impurities. On figv presents yet another evidence of a localized nature and random distribution of naturally existing defects and impurities. This figure shows a microphotograph taken on the surface area of a native diamond sample, along which a rigidly focused femtosecond laser beam was transferred along a linear path with a constant speed of 1 mm / s. 50 μJ laser pulses were applied at a frequency of 1 kHz, and the trace shown in this figure travels at a distance of about 2 mm. As can be seen in this microphotograph, the trace inscribed in the volume of this particular sample of native diamond is far from continuous, since it consists of small dark spots with a random distribution along the trajectory. A striking feature of this microphotograph is the presence of a long trace segment located in the central zone of the figure, where there are no dark spots. On the other hand, densely packed dark spots are visible in some places on the left side of the track. In addition, many of these spots are either above or below the trajectory axis, which means that they were formed in places where the local optical fluence of the beam was not at its maximum peak level.

Исходя из результатов, представленных на фиг.1А и 1В, можно заключить, что для успешного мечения микроструктур в образцах самородного алмаза важен соответствующий выбор энергии импульса. Например, при избыточной энергии импульса, как это было в случае, показанном на фиг.1А, рядом (и чуть выше) с объемом-мишенью в материале могут образовываться несколько смещенных от центра меток. С другой стороны, обстреливание лазерными импульсами, имеющими недостаточную энергию, может привести к неудаче мечения в объемах, где дефекты предположительно отсутствуют. Исходя из вышеизложенного, можно ожидать, что подходящие пределы энергии импульса могут меняться от участка к участку в одном и том же образце самородного алмаза, чтобы избежать локализированного характера и случайного распределения дефектов, с которых начинается образование микроструктур. Кроме того, энергия импульса оказывает большое влияние на последующий рост вписанных меток. Например, на фиг.1C показан микрофотоснимок, сделанный на площади поверхности образца самородного алмаза, в котором последовательностью пяти лазерных импульсов вписан набор меток. Энергия каждого импульса была в диаметре нескольких мкДж и менялась от участка к участку. Метки, видимые на фиг.1C как черные зоны с контурами неправильной формы, были вписаны в образце самородного алмаза, который был предварительно огранен для придания ему формы куба. Кубическая форма позволяет визуально наблюдать метки с любой плоской боковой стенки образца, тем самым давая точную информацию о распространении микроструктур в направлении, параллельном оси распространения записывающего лазерного луча. На фиг.1C записывающий лазерный луч падал на поверхность образца, находящуюся вверху фигуры, и распространялся параллельно направлению вниз на этой фигуре. В этом конкретном примере протяженность микроструктур в вертикальном направлении при самом высоком уровне энергии, использованном в этих испытаниях, достигает более чем 100 мкм, как показано для обеих меток, находящихся с правой крайней части фигуры. Как результат, обе метки видны как темные пятна диаметром примерно 30 мкм, если смотреть с поверхности падения луча образца.Based on the results presented in figa and 1B, we can conclude that for the successful labeling of microstructures in samples of native diamond, the appropriate choice of pulse energy is important. For example, with excess pulse energy, as was the case shown in FIG. 1A, several off-center marks may form in the material near (and slightly above) the target volume in the material. On the other hand, firing of laser pulses with insufficient energy can lead to failure of tagging in volumes where defects are supposedly absent. Based on the foregoing, it can be expected that suitable pulse energy limits can vary from site to site in the same sample of native diamond, in order to avoid the localized nature and random distribution of defects with which the formation of microstructures begins. In addition, the pulse energy has a great influence on the subsequent growth of inscribed marks. For example, FIG. 1C shows a microphotograph taken on the surface area of a native diamond sample in which a set of marks is inscribed with a sequence of five laser pulses. The energy of each pulse was several microJ in diameter and varied from site to site. The marks visible in FIG. 1C as black zones with irregularly shaped contours were inscribed in a sample of native diamond that was previously faceted to give it a cube shape. The cubic shape allows you to visually observe labels from any flat side wall of the sample, thereby giving accurate information about the distribution of microstructures in a direction parallel to the propagation axis of the recording laser beam. In FIG. 1C, the recording laser beam was incident on the surface of the sample at the top of the figure and propagated parallel to the downward direction of the figure. In this particular example, the length of the microstructures in the vertical direction at the highest energy level used in these tests reaches more than 100 μm, as shown for both marks located on the right extreme part of the figure. As a result, both marks are visible as dark spots with a diameter of approximately 30 μm when viewed from the incidence surface of the sample beam.

Было установлено, что после инициирования структурного изменения с дефекта или примеси в материале алмаза последующим ростом метки можно управлять путем правильного выбора ключевых параметров процесса мечения, таких как энергия импульса, число лазерных импульсов, направленных на каждый участок внутри образца, и характеристики записывающего лазерного луча. Однако сочетание параметров лазера, установленное как подходящее для конкретного участка в материале драгоценного камня, не обязательно является таковым для любого иного участка в том же драгоценном камне, что не позволяет разработать универсальный протокол лазерного мечения. Фактически, любой рабочий протокол лазерного мечения должен включать контроль в реальном масштабе времени роста каждой отдельной метки с тем, чтобы остановить лазерное мечение, как только метка будет иметь необходимые общие размеры. Этот аспект важен для вписывания меток, которые не ухудшают внешний вид и сортировку качества меченых драгоценных камней.It was found that after initiating a structural change with a defect or impurity in the diamond material, the subsequent growth of the mark can be controlled by the correct selection of key parameters of the labeling process, such as pulse energy, the number of laser pulses directed to each region inside the sample, and the characteristics of the recording laser beam. However, the combination of laser parameters, established as suitable for a particular site in the gemstone material, is not necessarily that for any other site in the same gemstone, which does not allow the development of a universal protocol for laser marking. In fact, any working protocol for laser tagging should include real-time monitoring of the growth of each individual label in order to stop the laser labeling as soon as the label has the necessary overall dimensions. This aspect is important for entering labels that do not impair the appearance and grading of the quality of labeled gems.

Принимая во внимание известный уровень техники, отмеченный выше, и различные проблемы и трудности, с которыми сталкиваются при реализации родственных способов лазерного вписывания знаков на поверхности или ниже поверхности драгоценных камней, существует необходимость в способе и системе, которые обеспечили бы надежное, безопасное и управляемое мечение знаков в объеме драгоценных камней, таких как алмазы. Кроме того, существует необходимость в системе, которая учитывает стохастический характер и изменения в процессах мечения, разработанных до настоящего времени, вместе с особыми физическими свойствами самородных алмазов при образовании в них вызываемых лазером микроструктур.Given the prior art noted above and the various problems and difficulties encountered in implementing related laser marking methods on or below the surface of gemstones, there is a need for a method and system that provides reliable, safe and controllable marking marks in the volume of gems such as diamonds. In addition, there is a need for a system that takes into account the stochastic nature and changes in labeling processes developed to date, together with the special physical properties of native diamonds during the formation of microstructures caused by the laser in them.

ЦЕЛИ ИЗОБРЕТЕНИЯOBJECTS OF THE INVENTION

Следовательно, первой целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для вписывания лазером постоянных точечных меток в объеме драгоценных камней, таких как алмазы, на некоторой заданной глубине ниже поверхности таблички и без причинения какого-либо вызванного лазером оптического повреждения на поверхности указанной таблички так, чтобы вписанные метки было невозможно стереть, используя любой вид поверхностной обработки, и одновременно были очень трудными для подделывания злоумышленниками.Therefore, the first objective of the present invention is to provide a method and device for the laser to enter constant point marks in the volume of precious stones, such as diamonds, at a predetermined depth below the surface of the plate and without causing any laser damage to the surface of the plate so that the inscribed marks were impossible to erase using any kind of surface treatment, and at the same time were very difficult for fraudsters to attack.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа лазерного мечения в объеме алмазов, воспользовавшись преимуществом присутствия дефектов и примесей, случайно распределенных в кристаллической решетке самородных алмазов, для того чтобы инициировать управляемый рост точечных меток путем воздействия на алмазы лазерными импульсами длительностью в фентосекундном диапазоне, несущими энергию намного ниже порога энергии для мечения в объеме в остальных отношениях идеального материала алмаза. Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа безопасного мечения в объеме алмазных драгоценных камней наивысшей чистоты, используя лазерную систему, которая подает лазерные импульсы с энергией, достаточно высокой, чтобы вызвать структурные изменения в объеме идеальной кристаллической решетки алмаза.Another objective of the present invention is to provide a method for laser marking in the volume of diamonds, taking advantage of the presence of defects and impurities randomly distributed in the crystal lattice of native diamonds in order to initiate controlled growth of point marks by exposing the diamonds to laser pulses with a duration in the fentosecond range that carry energy much lower than the energy threshold for labeling in volume in other respects the ideal diamond material. Another objective of the present invention is to provide a method for safely labeling the highest purity diamond gemstones using a laser system that delivers laser pulses with energies high enough to cause structural changes in the volume of the ideal diamond crystal lattice.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для лазерного мечения в объеме драгоценных камней, таких как алмазы, которые бы обладали достаточной универсальностью, чтобы позволить маркировать драгоценные камни с самой разной прозрачностью и качеством, имеющие различные огранки и общие размеры, и которые в момент, когда они метятся, могут быть либо отдельными, либо вставленными в разные виды оправ.Another objective of the present invention is to provide a method and device for laser marking in the volume of precious stones, such as diamonds, which would have sufficient versatility to allow the marking of precious stones with very different transparency and quality, having different facets and general sizes, and which the moment when they are labeled can be either separate or inserted into different types of frames.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа для вписывания лазером точечных меток в объеме драгоценных камней, причем каждый знак должен быть достаточно мелким, чтобы оставаться не обнаруживаемым при рассматривании с помощью приборов, которыми обычно пользуются сортировщики алмазов, так, чтобы не ухудшить внешний вид, не снизить сортировку и денежную стоимость драгоценного камня, маркированного предлагаемым способом. С другой стороны, еще одной целью настоящего изобретения является разработка размеров и формы меток, чтобы сделать их машинно-считываемыми специальной системой оптического считывания.Another objective of the present invention is to provide a method for inscribing laser point marks in the volume of precious stones, each sign should be small enough to remain undetectable when viewed with instruments that are commonly used by diamond sorters, so as not to impair the appearance, not to reduce the sorting and monetary value of the gem marked with the proposed method. On the other hand, another objective of the present invention is to develop the size and shape of the tags to make them machine-readable by a special optical reading system.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа мечения знаков полностью безопасным образом в объеме драгоценных камней, таких как алмазы, причем этот способ должен обеспечивать должный учет стохастического характера образования вызванных лазером меток в объеме самородных алмазов, имеющих концентрации дефектов и примесей, очень сильно меняющиеся от участка к участку в их объеме.Another objective of the present invention is to provide a method for marking signs in a completely safe manner in the volume of precious stones, such as diamonds, and this method should provide due consideration to the stochastic nature of the formation of laser-induced marks in the volume of native diamonds having concentrations of defects and impurities that vary greatly from plot to plot in their volume.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание простой, недорогой и легкой в пользовании системы оптического считывания, основанной на конструкции обычного оптического микроскопа и способной обеспечивать изображения точечных меток, вписанных в объеме драгоценного камня, причем эти изображения должны обладать достаточной контрастностью, чтобы обеспечить надежное и автоматическое обнаружение всего знака средством обработки изображений.Another objective of the present invention is to provide a simple, inexpensive and easy to use optical reading system based on the design of a conventional optical microscope and capable of providing images of point marks inscribed in the volume of the gemstone, and these images must have sufficient contrast to ensure reliable and automatic detection of the entire sign by image processing means.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа кодирования данных аутентификации в объеме драгоценных камней, таких как алмазы, путем вписывания лазером однозначно определенного знака, состоящего из очень небольшого числа точечных меток, причем эти метки должны достаточно отстоять друг от друга, чтобы внешний вид, сортировка качества и денежная стоимость драгоценных камней при мечении оставались неизменными.Another objective of the present invention is to provide a method for encoding authentication data in the volume of precious stones, such as diamonds, by inscribing with the laser an unambiguously defined sign consisting of a very small number of point marks, and these marks must be sufficiently separated from each other so that the appearance, sorting The qualities and monetary value of the gemstones during labeling remained unchanged.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание драгоценных камней, таких как алмазы, имеющих персонализированный, самосвидетельствующий знак, вписанный в их объеме и сохраняющий их первоначальное качество и денежную стоимость.Another objective of the present invention is the creation of precious stones, such as diamonds, having a personalized, self-certification mark inscribed in their volume and preserving their original quality and monetary value.

Эти и другие цели изобретения станут полнее понятными из приведенных ниже краткого описания изобретения и описания предпочтительного варианта осуществления.These and other objects of the invention will become more fully understood from the following brief description of the invention and description of a preferred embodiment.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Предлагаются способ и устройство для мечения знаков, состоящих из небольшого числа непрозрачных, точечных меток в объеме драгоценных камней, причем этими драгоценными камнями предпочтительно являются алмазы. Составляющие метки знака гравированы предпочтительно на одной глубине ниже поверхности крупной ограненной и полированной грани (фасета) бриллианта, причем этой гранью предпочтительно является табличка бриллианта (называемая также площадкой). Как результат, можно метить драгоценные камни, вставленные в любой вид оправы. Вписывание каждой отдельной метки осуществляется с использованием протокола, конкретно направленного на образование метки необходимого размера путем воздействия на поверхность драгоценного камня наименьшего числа фемтосекундных лазерных импульсов, причем каждый импульс несет энергию, которая обычно намного ниже порога энергии для вызывания постоянных структурных изменений в идеальной кристаллической решетке алмаза. Глубина, на которой вписываются метки, управляется путем фокусирования фемтосекундного лазерного луча. Кроме того, точная фокусировка выбирается для мечения в объеме изделия из драгоценного камня вместе с поддерживанием интегральной плотности оптического потока (флюенса) (энергия на единицу площади) на поверхности изделия намного ниже порога повреждения поверхности материала.A method and device for marking signs consisting of a small number of opaque, dot marks in the volume of precious stones are proposed, moreover, these diamonds are preferably diamonds. The component mark marks are preferably engraved at one depth below the surface of a large faceted and polished facet (facet) of the diamond, and this facet is preferably a diamond plate (also called a pad). As a result, you can mark gems inserted into any type of frame. Each individual label is entered using a protocol specifically aimed at forming a label of the required size by exposing the gemstone surface to the smallest number of femtosecond laser pulses, with each pulse carrying energy that is usually much lower than the energy threshold to cause permanent structural changes in the ideal diamond crystal lattice . The depth at which the marks fit is controlled by focusing the femtosecond laser beam. In addition, precise focusing is selected for labeling in the volume of a gemstone product, while maintaining the integral density of the optical flux (fluence) (energy per unit area) on the surface of the product is much lower than the threshold for damage to the surface of the material.

При этом мечение в объеме возможно без причинения какого-либо непоправимого оптического повреждения наружной поверхности драгоценного камня. Результаты предыдущих экспериментальных исследований, которые сообщили некоторые группы, относительно структурных изменений в объеме алмаза при воздействии последовательности фемтосекундных лазерных импульсов показали, что эти метки обычно состоят из весьма отличной элементарной формы углерода. При этом микроструктуры, созданные в нем, практически непрозрачны для света в видимой области спектра. Поразительно, эти непрозрачные точечные метки можно сделать не обнаруживаемыми невооруженным глазом или при использовании оптического прибора, имеющего 10-кратное увеличение, даже если они вписаны на глубинах лишь несколько микронов ниже поверхности таблички. Достаточно обеспечить жесткое управление вместе с разумным выбором некоторых ключевых параметров процесса мечения, таких как энергия импульса, эффективная числовая апертура фокусирующего объектива, длительность лазерных импульсов и пространственное качество лазерного луча, что добиться точечных меток диаметром, не превышающим нескольких микронов, предпочтительно, менее 5 мкм.In this case, labeling in volume is possible without causing any irreparable optical damage to the outer surface of the gem. The results of previous experimental studies reported by some groups regarding structural changes in diamond volume when exposed to a sequence of femtosecond laser pulses showed that these labels usually consist of a very different elemental form of carbon. Moreover, the microstructures created in it are practically opaque to light in the visible region of the spectrum. Amazingly, these opaque point marks can be made undetectable to the naked eye or by using an optical device having a 10x magnification, even if they are inscribed at depths only a few microns below the surface of the plate. It is enough to provide tight control along with a reasonable selection of some key parameters of the tagging process, such as pulse energy, effective numerical aperture of the focusing lens, laser pulse duration and spatial quality of the laser beam, to achieve point marks with a diameter not exceeding a few microns, preferably less than 5 microns .

Основным аспектом изобретения является то, что непрозрачные точечные метки можно вписывать в объеме бриллианта с использованием фемтосекундных лазерных импульсов, имеющих энергию, намного ниже пороговой энергии, необходимой для вписывания в кристаллической решетке алмаза высочайшего качества, т.е. в кристалле, практически не имеющем дефектов или примесей. При вписывании постоянных меток в объеме бриллианта необходима определенная осторожность, поскольку требуемые интегральные плотности оптического потока могут вызвать повреждения на поверхности изделия до того, как будут вписаны метки в объеме. Воздействия на драгоценный камень высокой ценности лазерными импульсами, имеющими потенциально «опасные» уровни энергии, часто можно избежать, воспользовавшись преимуществом присутствия примесей и дефектов со случайным распределением в объеме самородных алмазов, включая алмазы высочайшего качества. Эти примеси и дефекты различного характера способствуют созданию темных и непрозрачных зон при воздействии на них фемтосекундных лазерных импульсов с энергией, существенно ниже пороговой энергии в остальных отношениях идеального материала. Случайное пространственное распределение этих дефектов и примесей в обычных самородных алмазах обуславливает стохастический характер, наблюдавшийся при предыдущих попытках мечения постоянным и воспроизводимым образом в объеме этих камней. Другим важным аспектом настоящего изобретения является учет пространственно меняющейся концентрации дефектов и примесей в самородных алмазах путем разработки схемы кодирования, в которой идентификационные данные кодируются в относительных положениях небольшого числа меток, которые образуют знак.The main aspect of the invention is that opaque point marks can be entered into the diamond volume using femtosecond laser pulses having an energy much lower than the threshold energy required to enter the highest quality diamond in the crystal lattice, i.e. in a crystal with practically no defects or impurities. When entering constant marks in the diamond volume, some caution is necessary, since the required integrated optical flux densities can cause damage on the surface of the product before the marks in the volume are entered. Exposure to a precious stone of high value by laser pulses having potentially “dangerous” energy levels can often be avoided by taking advantage of the presence of impurities and defects with a random distribution in the volume of native diamonds, including diamonds of the highest quality. These impurities and defects of various nature contribute to the creation of dark and opaque zones when exposed to femtosecond laser pulses with energies significantly lower than the threshold energy in other respects of an ideal material. The random spatial distribution of these defects and impurities in ordinary native diamonds determines the stochastic nature observed in previous attempts at labeling in a constant and reproducible manner in the volume of these stones. Another important aspect of the present invention is to take into account the spatially varying concentration of defects and impurities in native diamonds by developing a coding scheme in which the identification data is encoded at the relative positions of a small number of marks that form the mark.

Несмотря на типичный диаметр точечных меток, который должен быть порядка нескольких микрон, непрозрачность этих меток, когда они образованы в алмазе, позволяет отображать их с подходящей контрастностью с помощью недорогого устройства оптического считывания. Устройство считывания по существу содержит обычный объектив микроскопа с низкой числовой апертурой, который передает увеличенные изображения всего выгравированного знака на плоскость датчика на приборе с зарядовой связью (ПЗС) для съемки изображений. После этого изображения обрабатываются средством обработки для обнаружения нескольких меток, которые образуют знаки, с последующей расшифровкой идентификационных данных, закодированных в знаках. Система подсветки устройства оптического считывания повышает контрастность изображений выгравированных меток, воспользовавшись преимуществом нижних граней (фасет) драгоценного камня, которые действуют, как эффективные отражатели света. Результатом всех вышеупомянутых аспектов, относящихся к устройству оптического считывания, является простота конструкции устройства, легкость его эксплуатации пользователем, который не является ни геммологом, ни микроскопистом, и его низкая себестоимость изготовления, что делает его приемлемым по цене для каждого ювелирного магазина.Despite the typical diameter of point marks, which should be of the order of several microns, the opacity of these marks, when they are formed in diamond, allows them to be displayed with suitable contrast using an inexpensive optical reader. The reader device essentially contains a conventional microscope lens with a low numerical aperture, which transmits enlarged images of the entire engraved sign onto the plane of the sensor on a charge-coupled device (CCD) for capturing images. After that, the images are processed by the processing means to detect several marks that form the characters, followed by decryption of the identification data encoded in the characters. The illumination system of the optical reader increases the contrast of the images of the engraved marks, taking advantage of the lower faces (facets) of the gem, which act as effective light reflectors. The result of all the above aspects related to the optical reader is the simplicity of the design of the device, the ease of use by a user who is neither a gemologist, nor a microscope, and its low manufacturing cost, which makes it affordable for every jewelry store.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Изобретение станет понятнее из приведенного подробного описания предпочтительного варианта изобретения и его чертежей. На этих чертежах:The invention will become clearer from the above detailed description of a preferred embodiment of the invention and its drawings. In these drawings:

фиг.1А, 1В и 1C представляют собой микрофотоснимки, на которых показаны метки, выгравированные в объеме разных образцов алмаза;figa, 1B and 1C are microphotographs showing labels engraved in the volume of different samples of diamond;

на фиг.2 представлена упрощенная блок-схема полной системы мечения и аутентификации драгоценных камней;figure 2 presents a simplified block diagram of a complete system for tagging and authentication of precious stones;

на фиг.3 представлена блок-схема, на которой показаны основные блоки и узлы системы лазерного мечения в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;figure 3 presents a block diagram showing the main blocks and components of a laser tagging system in accordance with a preferred embodiment of the present invention;

на фиг.4 представлен схематический вид различных оптических компонентов и комплектующих блоков системы лазерного мечения в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;4 is a schematic view of various optical components and component blocks of a laser tagging system in accordance with a preferred embodiment of the present invention;

фиг.5 представляет собой вид сбоку оптического считывающего устройства, которое предоставляет изображения знака, выгравированного в объеме драгоценного камня, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;5 is a side view of an optical reader that provides images of a sign engraved in a gemstone volume in accordance with a preferred embodiment of the present invention;

фиг.6 представляет собой вид сбоку алмазного бриллианта, у которого ниже поверхности таблички вписаны две отличные метки;6 is a side view of a diamond, in which two distinct marks are inscribed below the surface of the plate;

фиг.7 представляет собой вид сверху алмазного бриллианта, имеющего круглую бриллиантовую огранку и у которого ниже поверхности таблички и вблизи центра таблички вписаны три отличные метки;Fig. 7 is a top view of a diamond having a round brilliant cut and in which three distinct marks are inscribed below the surface of the plate and near the center of the plate;

на фиг.8 представлена схема, на которой показано фокусирование записывающего лазерного луча в объем драгоценного камня;on Fig presents a diagram showing the focusing of the recording laser beam into the volume of the gem;

на фиг.9 представлен схематический вид знака, состоящего из набора из пяти точечных меток в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 9 is a schematic view of a mark consisting of a set of five point marks in accordance with a preferred embodiment of the present invention;

на фиг.10А и 10В представлена блок-схема последовательности операций, выполняемых системой аутентификации драгоценных камней для вписывания знака в объеме драгоценного камня в соответствии с предлагаемым способом;on figa and 10B presents a block diagram of a sequence of operations performed by the authentication system of precious stones to enter a mark in the volume of the gem in accordance with the proposed method;

фиг.11 представляет собой микрофотоснимок, на котором показан массив из 25 точечных меток, выгравированных в объеме образца самородного алмаза.11 is a microphotograph showing an array of 25 point marks engraved in the volume of a sample of native diamond.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВDETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

Краткое описание системы аутентификации драгоценных камнейGem Authentication System Brief

Различные цели настоящего изобретения, указанные в разделе «Цели изобретения», относятся к способам и устройствам, которые нашли свое основное применение в системе для аутентификации драгоценных камней посредством знаков, выгравированных в их объеме. На фиг.2 представлена упрощенная блок-схема, на которой показан вариант осуществления системы аутентификации драгоценных камней. Сердцем системы является центральный процессор (ЦП) 20, которым, по существу, является компьютер, управляющий работой нескольких дистанционных устройств, подключенных к нему связевыми каналами передачи данных 24. Основная задача ЦП 20 - управлять запросами на доступ к информации, хранящейся в базе данных 22, а также управлять занесением новых данных в реестр базы данных. Данные, хранящиеся в базе данных 22, состоят, главным образом, из идентификационных учетных записей, связанных с каждым маркированным драгоценным камнем. Запись включает поток цифровых данных, который соответствует идентификационному коду, выгравированному в драгоценном камне, вместе с другой соответствующей информацией, такой как сводка присущих свойств драгоценного камня (т.е. отчет о сортировке), его нынешний владелец, сведения о прежних владельцах, изготовитель драгоценного камня, место добычи, откуда он происходит.The various objectives of the present invention, indicated in the section "Objectives of the invention", relate to methods and devices that have found their main application in the system for authentication of precious stones using signs engraved in their volume. Figure 2 presents a simplified block diagram showing an embodiment of a gemstone authentication system. The heart of the system is the central processing unit (CPU) 20, which, in essence, is a computer that controls the operation of several remote devices connected to it by data communication channels 24. The main task of the CPU 20 is to manage requests for access to information stored in the database 22 , and also manage the entry of new data into the database registry. The data stored in the database 22 mainly consists of identification accounts associated with each labeled gem. The record includes a digital data stream that corresponds to the identification code engraved in the gemstone, together with other relevant information, such as a summary of the inherent properties of the gemstone (i.e. sorting report), its current owner, information about previous owners, the manufacturer of the gemstone stone, the place of extraction, where it comes from.

Дистанционные устройства, которые составляют часть системы аутентификации драгоценных камней, разбиты на две основные группы. Первая группа включает дистанционные станции лазерного мечения 26, которые действуют под управлением ЦП 20. Для простоты на фиг.2 показаны только две станции мечения 26А и 26В. Однако действительная система аутентификации будет состоять из большего числа станций лазерного мечения, которые могли бы быть удобно распределены по всей географической зоне, подлежащей покрытию. Вторая группа включает дистанционные оптические считывающие устройства 28, которые также действуют под управлением ЦП 20. Показаны только три дистанционных оптических считывающих устройства 28А, 28В и 28С, но на практике эти устройства можно было найти во многих местах, включая магазины розничной продажи ювелирных изделий, главные полицейские управления и агентства по торговле алмазами. Оптические считывающие устройства 28 служат, главным образом, для обнаружения присутствия знака аутентификации, выгравированного в объеме обследуемого драгоценного камня, и затем передачи входных данных (по существу, изображения) в ЦП 20 для правильной идентификации этого драгоценного камня. Каждая дистанционная станция лазерного мечения 26 включает и свое собственное оптическое считывающее устройство 28, предназначенное для регистрации каждого драгоценного камня в базе данных 22 системы аутентификации сразу же после его мечения.Remote devices that form part of the gemstone authentication system are divided into two main groups. The first group includes remote laser tagging stations 26, which operate under the control of the CPU 20. For simplicity, only two tagging stations 26A and 26B are shown in FIG. However, a valid authentication system will consist of a larger number of laser tagging stations, which could be conveniently distributed throughout the geographic area to be covered. The second group includes remote optical readers 28, which also operate under CPU 20. Only three remote optical readers 28A, 28B, and 28C are shown, but in practice these devices could be found in many places, including jewelry retail stores. police departments and diamond trading agencies. Optical readers 28 primarily serve to detect the presence of an authentication sign engraved in the volume of the gemstone being examined, and then transmit the input data (essentially an image) to the CPU 20 to correctly identify the gemstone. Each remote laser tagging station 26 also includes its own optical reader 28, designed to register each gem in the database 22 of the authentication system immediately after its tagging.

Описание предпочтительного варианта осуществления станции лазерного меченияDescription of a preferred embodiment of a laser tagging station

Роли, которые играют различные комплектующие блоки предпочтительного варианта осуществления станции лазерного мечения 26, будут понятнее из упрощенной блок-схемы, представленной на фиг.3. Стрелками, начерченными на фиг.3 двойной линией, показан лазерный луч, а стрелками одной линией - электрические соединения, необходимые для различных целей, таких как обмен данными, передача сигналов команд и управления и электропитание некоторых блоков. Каждая дистанционная станция лазерного мечения 26 содержит свой собственный блок управления и процессора 44, который может быть реализован в виде персонального компьютера в конструктивном исполнении для промышленного использования. Блок управления и процессора 44 управляет работой большинства комплектующих блоков станций лазерного мечения 26 либо по командам, вводимым оператором через пользовательский интерфейс 62, либо по командам, выдаваемым системным программным обеспечением ЦП 20 системы аутентификации и передаваемым по внешнему связевому каналу 24.The roles played by the various component blocks of the preferred embodiment of the laser tagging station 26 will be better understood from the simplified block diagram shown in FIG. The arrows drawn in Fig. 3 by a double line show the laser beam, and the arrows by one line show the electrical connections necessary for various purposes, such as data exchange, transmission of command and control signals and power supply of some units. Each remote laser tagging station 26 contains its own control unit and processor 44, which can be implemented as a personal computer in a design for industrial use. The control unit and the processor 44 controls the operation of most of the components of the laser marking station 26 either by commands entered by the operator through the user interface 62, or by commands issued by the system software of the CPU 20 of the authentication system and transmitted via an external communication channel 24.

Лазерная система 42 создает лазерный луч в виде импульсов ультракороткой длительности, излучаемых в импульсном режиме периодического действия. Для действия предлагаемого способа необходимо, чтобы длительность лазерных импульсов была в фемтосекундном диапазоне. Конкретнее, длительность импульсов не должна превышать нескольких сотен фемтосекунд; предпочтительно, она должна быть менее примерно 100 фс. Показательными примерами фемтосекундных лазерных систем служат те, которые включают твердотельную среду усиления титан-сапфир (Ti:сапфир) с оптической накачкой полупроводниковыми лазерными диодами. Эти лазерные системы излучают лазерные лучи, имеющие длину волны обычно возле инфракрасной области спектра и, в частности, в диапазоне от 750 до 800 нм. Фемтосекундные лазерные системы со средой усиления Ti:сапфир можно реализовать в виде одного генератора колебаний, который выдает лазерные импульсы, несущие энергию в наноджоулевом диапазоне и излучаемые с частотой следования, обычно равной десяткам МГц (мегагерц). Можно, однако, получать лазерные импульсы с энергиями до нескольких мДж путем связывания выхода лазера с регенеративным оптическим усилителем (оптическим усилителем с положительной обратной связью). Одним из преимуществ предлагаемого способа является возможность мечения драгоценных камней лазерными импульсами, имеющими низкие энергии - порядка нескольких десятков нДж, так что при использовании лазерной системы со средой усиления Ti:сапфир использование регенеративного оптического усилителя абсолютно не требуется. Это преимущество дает в результате существенное упрощение аппаратных средств в сочетании с более низкой стоимостью покупки всей лазерной системы. Поскольку эффективность процесса лазерного мечения зависит от пространственного качества записывающего лазерного луча, излучаемого лазерной системой 42, блок очистки и кондиционирования луча 46 может осуществлять пространственную фильтрацию луча. Этот блок служит также для корректировки пространственных характеристик (т.е. расходимость и поперечный размер луча) лазерного луча, чтобы максимально повысить эффективность процесса преобразования частоты, выполняемого блоком преобразования частоты 48. Этот процесс заключается по существу в удвоении частоты оптического центра лазерного луча таким образом, что лазерный луч с первоначальной длиной волны 775 нм может быть преобразован в луч с длиной волны 388 нм. Блок преобразования частоты 48 является факультативным для мечения некоторых материалов драгоценных камней и основан на схемах генерации вторых гармоник, хорошо известных специалистам в данной области. На фиг.3 показано, что лазерный луч с преобразованной частотой затем проходит оптику лазерного мечения 52, которая позволяет жестко фокусировать лазерный луч на некоторой глубине ниже входной поверхности драгоценного камня, закрепленного в узле установки изделия 54. Блок управления и процессора 44 управляет перемещением узла установки изделия 54 с помощью специальных приводов электродвигателя 58 для мечения в разных местах внутри драгоценного камня.The laser system 42 creates a laser beam in the form of ultrashort pulses emitted in a pulsed periodic mode. For the action of the proposed method, it is necessary that the duration of the laser pulses be in the femtosecond range. More specifically, the pulse duration should not exceed several hundred femtoseconds; preferably, it should be less than about 100 fs. Illustrative examples of femtosecond laser systems are those that include a solid state amplification medium titanium-sapphire (Ti: sapphire) optically pumped by semiconductor laser diodes. These laser systems emit laser beams having a wavelength usually near the infrared region of the spectrum and, in particular, in the range from 750 to 800 nm. Femtosecond laser systems with a Ti gain medium: sapphire can be implemented as a single oscillator that generates laser pulses that carry energy in the nanoscale range and emitted with a repetition rate of usually tens of MHz (megahertz). However, it is possible to obtain laser pulses with energies up to several mJ by linking the laser output to a regenerative optical amplifier (positive feedback optical amplifier). One of the advantages of the proposed method is the ability to label precious stones with laser pulses having low energies of the order of several tens of nJ, so when using a laser system with a Ti: sapphire amplification medium, the use of a regenerative optical amplifier is absolutely not required. This advantage results in a significant simplification of the hardware coupled with a lower purchase price for the entire laser system. Since the efficiency of the laser tagging process depends on the spatial quality of the recording laser beam emitted by the laser system 42, the beam cleaning and conditioning unit 46 can perform spatial beam filtering. This unit also serves to adjust the spatial characteristics (ie, divergence and lateral beam size) of the laser beam in order to maximize the efficiency of the frequency conversion process performed by the frequency conversion unit 48. This process essentially consists in doubling the frequency of the optical center of the laser beam in this way that a laser beam with an initial wavelength of 775 nm can be converted into a beam with a wavelength of 388 nm. A frequency conversion unit 48 is optional for labeling certain gem materials and is based on second harmonic generation schemes well known to those skilled in the art. Figure 3 shows that the laser beam with the converted frequency then passes through laser tagging optics 52, which allows you to rigidly focus the laser beam at a certain depth below the input surface of the gem fixed in the installation site of the product 54. The control unit and processor 44 controls the movement of the installation site articles 54 using special drives of an electric motor 58 for marking in different places inside the gemstone.

Пространственные характеристики записывающего лазерного луча предпочтительно контролируются и управляются в реальном масштабе времени блоком управления и процессора 44 с помощью данных и изображения, создаваемых блоком диагностики записывающего луча 50. Блок диагностики записывающего луча 50 необходим для того, чтобы обеспечить легкое обнаружение любого изменения свойств лазерного луча или любого отказа в работе лазерной системы. Оба эти вида событий могли бы пагубно отразиться на процессе мечения или, в наихудшем варианте, причинить непоправимые повреждения драгоценному камню, на который воздействует записывающий лазерный луч. Наконец, одним из аспектов настоящего изобретения является создание протокола лазерного мечения, основанного на контроле в реальном масштабе времени роста точечных меток в объеме драгоценных камней. Этот контроль выполняется с помощью изображений и данных, выдаваемых в реальном масштабе времени блоком контроля процесса 56. Этот блок использует некоторые оптические компоненты оптики лазерного мечения 52 для получения соответствующих световых сигналов из зоны, в которой в данный момент наращивается метка.The spatial characteristics of the recording laser beam are preferably monitored and controlled in real time by the control unit and the processor 44 using the data and images generated by the diagnostic unit of the recording beam 50. The diagnostic unit of the recording beam 50 is necessary in order to easily detect any change in the properties of the laser beam or any failure in the operation of the laser system. Both of these types of events could adversely affect the marking process or, in the worst case, cause irreparable damage to a gemstone exposed to a recording laser beam. Finally, one aspect of the present invention is the creation of a laser tagging protocol based on real-time monitoring of the growth of point marks in the volume of precious stones. This control is performed using images and real-time data provided by the process control unit 56. This unit uses some optical components of the laser tagging optics 52 to obtain the corresponding light signals from the area in which the tag is currently being expanded.

На фиг.4 представлена схема размещения, на которой показано предпочтительное размещение оптических компонентов, которые образуют часть различных блоков, необходимых для работы станции лазерного мечения в соответствии с предлагаемым способом. На этой фигуре жирными сплошными линиями показаны оптические пути лазерных лучей, распространяющихся в этой оптической системе. Небольшая часть лазерного луча 70, излучаемого фемтосекундной лазерной системой 42, передается через светоделительную пластинку 80, а затем попадает на светочувствительную поверхность измерителя оптической мощности 82. Показание с измерителя мощности 82 подается в блок управления и процессора 44 (на этой фигуре не показанный) для обеспечения непрерывного контроля работы лазера 42 путем измерения средней оптической мощности его выходного луча 70. Основная часть лазерного луча 70 отражается расщепителем луча 80 и затем проходит через блок очистки и кондиционирования луча 46. В предпочтительном варианте осуществления блок 46 содержит две собирающие линзы 84 и 86 с соответствующими фокусными расстояниями и ирисовую диафрагму 88 и механический затвор 90, открытием которого дистанционно управляет блок управления и процессора 44. В фокальной плоскости линзы 84 помещена ирисовая диафрагма 88, предназначенная для обеспечения действия пространственной фильтрации, управляемого диаметром апертуры. Механический затвор 90 обеспечивает передачу последовательности импульсов ограниченной длительности, которая включает заданное число лазерных импульсов, причем это число определяется конкретным протоколом лазерного мечения, выполняемым в данный момент.Figure 4 presents the layout, which shows the preferred placement of the optical components that form part of the various blocks necessary for the operation of the laser marking station in accordance with the proposed method. In this figure, bold solid lines show the optical paths of the laser beams propagating in this optical system. A small portion of the laser beam 70 emitted by the femtosecond laser system 42 is transmitted through a beam splitter plate 80, and then hits the photosensitive surface of the optical power meter 82. The reading from the power meter 82 is supplied to the control unit and processor 44 (not shown in this figure) to provide continuous monitoring of the laser 42 by measuring the average optical power of its output beam 70. The main part of the laser beam 70 is reflected by a beam splitter 80 and then passes through the cleaning unit and conditioning the beam 46. In a preferred embodiment, block 46 comprises two collecting lenses 84 and 86 with corresponding focal lengths and an iris 88 and a mechanical shutter 90, the opening of which is controlled remotely by the control unit and processor 44. The iris 88 is placed in the focal plane of the lens 84 , designed to provide spatial filtering, controlled by the diameter of the aperture. The mechanical shutter 90 provides a transmission of a pulse train of limited duration, which includes a predetermined number of laser pulses, this number being determined by the particular laser marking protocol currently being executed.

Затем пространственно отфильтрованная последовательность лазерных импульсов 72 отражается плоским зеркалом 92 с высокой отражательной способностью на входную апертуру блока преобразования частоты 48.Then the spatially filtered sequence of laser pulses 72 is reflected by a flat mirror 92 with high reflectivity at the input aperture of the frequency conversion unit 48.

Преобразование частоты основано на генерации вторых гармоник, которая происходит в некоторых оптических кристаллах без симметрии инверсии, таких как бетаборат бария, триборат лития, титанилфосфат калия или первичный кислый фосфат калия. Затем энергия импульса лазерного луча 74 с преобразованной частотой задается заданной величины сигналом из блока управления и процессора 44, который подается в регулируемый оптический аттенюатор 94. Этот аттенюатор можно построить, например, в виде пластинки полуволнового замедлителя, установленного на стадии вращения, за которой следует поляризующий куб расщепителя луча. Это конструктивное исполнение хорошо известно специалистам в данной области. Для правильной работы регулируемого оптического аттенюатора 94, выполненного таким образом, необходимо, чтобы входной лазерный луч 74 был линейно поляризованным.Frequency conversion is based on the generation of second harmonics, which occurs in some optical crystals without inversion symmetry, such as barium betaborate, lithium triborate, potassium titanyl phosphate or potassium primary acid phosphate. Then, the pulse energy of the laser beam 74 with the converted frequency is set by a predetermined value by a signal from the control unit and processor 44, which is supplied to an adjustable optical attenuator 94. This attenuator can be constructed, for example, in the form of a half-wave moderator plate installed at the rotation stage, followed by a polarizing beam splitter cube. This design is well known to specialists in this field. For the adjustable optical attenuator 94 to be configured in this way, it is necessary that the input laser beam 74 be linearly polarized.

После этого лазерный луч, имеющий необходимую энергию, отражается плоским зеркалом 96 с высокой отражательной способностью на расширитель луча 98. На фиг.4 показан расширитель луча Галилея, который состоит из входной рассеивающей (отрицательной) линзы 100 и выходной собирающей линзы 102. Фокусные расстояния линз 100 и 102 выбраны такими, чтобы поперечный размер лазерного луча 76 был достаточно увеличен для заполнения входного зрачка фокусирующего объектива 118 без чрезмерного отсечения по границам. Адекватное заполнение входного зрачка позволяет фокусирующему объективу 118 работать при его полной числовой апертуре. Основная часть поперечно расширенного лазерного луча 78 проходит через пластинку расщепителя луча 104 и затем отражается дихроичной пластинкой расщепителя луча 116 на входной зрачок фокусирующего объектива 118. Следует отметить, что расширитель луча 98 и фокусирующий объектив 118 являются двумя основными элементами оптики лазерного мечения 52, показанной на блок-схеме на фиг.3.After that, the laser beam having the necessary energy is reflected by a high reflectivity flat mirror 96 to the beam expander 98. Figure 4 shows a Galilean beam expander, which consists of an input scattering (negative) lens 100 and an output collecting lens 102. The focal lengths of the lenses 100 and 102 are selected such that the transverse size of the laser beam 76 is sufficiently enlarged to fill the entrance pupil of the focusing lens 118 without excessive clipping along the borders. Adequately filling the entrance pupil allows the focusing lens 118 to operate at its full numerical aperture. The main part of the transversely expanded laser beam 78 passes through the beam splitter plate 104 and is then reflected by the dichroic beam splitter plate 116 onto the entrance pupil of the focusing lens 118. It should be noted that the beam expander 98 and the focusing lens 118 are two main elements of the laser marking optics 52 shown in block diagram in figure 3.

Расстояние между входной апертурой фокусирующего объектива 118 и входной поверхностью драгоценного камня 120, подлежащего мечению, регулируется, пока плоскость наилучшего фокуса сфокусированного лазерного луча не окажется на необходимой глубине в объеме драгоценного камня 120. Драгоценный камень 120 закреплен в узле установки изделия 54, который предпочтительно содержит держатель 122, подогнанный под размер и форму драгоценного камня, причем держатель 122 установлен на стеке из трех оснащенных электроприводами столиков линейного перемещения 124А, 124В и 124С. Два из этих столиков перемещения перемещают драгоценный камень в поперечных направлениях Х и У, а третий поперечный столик перемещает драгоценный камень в направлении Z, параллельном оптической оси, чтобы точно отрегулировать расстояние между фокусирующим объективом 118 и входной поверхностью драгоценного камня 120. Столики линейного перемещения 124А, 124В и 124С управляются блоком управления и процессора 44 станции лазерного мечения с помощью приводов электродвигателей 58, как показано на фиг.3.The distance between the input aperture of the focusing lens 118 and the input surface of the gemstone 120 to be labeled is adjusted until the plane of the best focus of the focused laser beam is at the required depth in the volume of the gemstone 120. The gemstone 120 is fixed in the installation site of the product 54, which preferably contains holder 122, adapted to the size and shape of the gemstone, and the holder 122 is mounted on a stack of three linearly-movable electric tables 124A, 124B and 124C. Two of these moving tables move the gem in the transverse directions X and Y, and the third transverse table moves the gem in the Z direction parallel to the optical axis to precisely adjust the distance between the focusing lens 118 and the input surface of the gem 120. Linear moving tables 124A, 124B and 124C are controlled by a control unit and a processor 44 of the laser marking station using electric motor drives 58, as shown in FIG.

На фиг.4 показано, что часть поперечно расширенного лазерного луча 78 отражается пластинкой расщепителя луча 104 на блок диагностики записывающего луча 50. В предпочтительном варианте осуществления этот блок содержит три оптических канала, каждый из которых используется для контроля конкретной характеристики записывающего лазерного луча 78. Первый канал включает камеру 110 на ПЗС, которая снимает изображения поперечного распределения интенсивности луча в плоскости датчика камеры, а второй канал включает счетчик лазерных импульсов 112. Наконец, третий оптический канал измеряет усредненную по времени энергию импульса путем преобразования показания измерителя оптической мощности 114, учитывая коэффициенты отражения и пропускания разных пластинок расщепителей луча, находящихся на пути лазерного луча. Пластинки расщепителей луча 106 и 108 служат для направления частей записывающего лазерного луча 78 в разные оптические каналы блока диагностики записывающего луча 50.Figure 4 shows that part of the transversely expanded laser beam 78 is reflected by the beam splitter plate 104 to the diagnostic unit for the recording beam 50. In a preferred embodiment, this unit contains three optical channels, each of which is used to monitor a specific characteristic of the recording laser beam 78. The first the channel includes a CCD camera 110, which takes images of the transverse distribution of the beam intensity in the plane of the camera sensor, and the second channel includes a laser pulse counter 112. Tilt q, the third optical channel measures the time-averaged energy of the pulse by converting the reading optical power meter 114, given the reflection and transmission coefficients of beam splitters different plates in the path of the laser beam. The beam splitter plates 106 and 108 serve to direct parts of the recording laser beam 78 into different optical channels of the diagnostic unit of the recording beam 50.

Кроме того, фиг.4 иллюстрирует предпочтительный вариант осуществления блока контроля процесса 56. Путь света, который регистрируется этим блоком, на фиг.4 показан точечными линиями. Используя оптические приборы, такие как камера 128 на приборах с зарядовой связью и светосильный фотодетектор 132, этот блок служит для анализа изображений и световых сигналов из конкретной зоны, которая в данный момент метится в объеме драгоценного камня 120. Например, изображения в реальном масштабе времени этой зоны могут сниматься камерой 128 на приборах с зарядовой связью. При таком решении фокусирующий объектив 118 является составной частью объектива камеры, который передает увеличенное изображение соответствующей зоны на плоскость датчика на ПЗС камеры 128. Изображения с адекватной контрастностью можно получить при соответствующей подсветке драгоценного камня осветительным устройством 134 в процессе мечения. Кроме того, для регистрации учащенных импульсов света (излучение плазмы), которые создаются, когда материал алмаза подвергается локальным структурным изменениям, вызванным взаимодействием материала с интенсивными сверхскоростными импульсами записывающего лазерного луча, можно использовать светосильный фотодетектор 132. Полосовой оптический фильтр 130, помещенный поперек пути луча света, направленного на светосильный фотодетектор 132, обеспечивает спектрально избирательное обнаружение света, излучаемого, когда начинаются внутренние структурные изменения. Пластинка расщепителя луча 126 направляет части света в два оптических канала, предусмотренных в показанном варианте осуществления, для блока контроля процесса 56.In addition, FIG. 4 illustrates a preferred embodiment of a process control unit 56. The path of light that is detected by this unit is shown in FIG. 4 by dotted lines. Using optical devices, such as a camera 128 on charge-coupled devices and a fast photodetector 132, this unit is used to analyze images and light signals from a specific area, which is currently marked in the volume of the gemstone 120. For example, real-time images of this the zones can be captured by camera 128 on charge-coupled devices. With this solution, the focusing lens 118 is an integral part of the camera lens, which transmits an enlarged image of the corresponding zone to the plane of the sensor on the CCD of the camera 128. Images with adequate contrast can be obtained by appropriately highlighting the gem with a lighting device 134 during marking. In addition, to register the frequent pulses of light (plasma radiation) that are created when the diamond material undergoes local structural changes caused by the interaction of the material with intense ultra-high-speed pulses of the recording laser beam, you can use a fast photodetector 132. A band-pass optical filter 130 placed across the path of the beam light directed at fast photodetector 132 provides spectrally selective detection of light emitted when internal ructural changes. The beam splitter plate 126 directs parts of the light into two optical channels provided in the shown embodiment for the process control unit 56.

В пределах сути настоящего изобретения возможны различные изменения описанной выше конструкции устройства лазерного мечения. Например, блок преобразования частоты 48 является факультативным для мечения в объеме драгоценных камней, но в некоторых случаях дополнительное управление ростом точечных меток обеспечивает записывающий лазерный луч с меньшей длиной волны. Кроме того, пространственная фильтрация блоком очистки и кондиционирования луча 46 не требуется, если лазерный луч 70 на выходе фемтосекундной лазерной системы 42 имеет удовлетворительное пространственное качество. Оптическую систему, показанную на фиг.4, можно изменить, чтобы избежать использования плоских зеркал 92 и 96, хотя эти зеркала используются для точной регулировки положения луча. Наконец, несколько линз, присутствующих в оптической системе, показанной на фиг.4, включая фокусирующий объектив 118, можно было заменить сферическими зеркалами.Within the scope of the present invention, various modifications of the above-described laser tagging device design are possible. For example, a frequency conversion unit 48 is optional for labeling in a gemstone volume, but in some cases additional control over the growth of point marks is provided by a recording laser beam with a shorter wavelength. In addition, spatial filtering by the beam cleaning and conditioning unit 46 is not required if the laser beam 70 at the output of the femtosecond laser system 42 has satisfactory spatial quality. The optical system shown in FIG. 4 can be modified to avoid using flat mirrors 92 and 96, although these mirrors are used to fine-tune the beam position. Finally, several lenses present in the optical system shown in FIG. 4, including the focusing lens 118, could be replaced with spherical mirrors.

Описание предпочтительного варианта осуществления оптического считывающего устройстваDescription of a preferred embodiment of an optical reader

Фиг.5 представляет собой вид сбоку предпочтительного варианта осуществления оптического считывающего устройства 28, которое образует часть полной системы аутентификации драгоценных камней, показанной на фиг.2. Конструкция оптического считывающего устройства 28 представляет собой относительно широко раскрытый формирователь изображения, в котором знак, выгравированный в объеме драгоценного камня 120, отображается на матричный датчик камеры на ПЗС 166. Как следствие, нет растрового сканирования зондирующего лазерного луча по поверхности драгоценного камня 120. Микропроцессор 186 принимает сигналы данных изображения из камеры на ПЗС 166 и затем обрабатывает файлы данных изображения, после чего направляет их на центральный процессор 20 системы аутентификации по связевому каналу передачи данных 24. Знак, выгравированный в объеме драгоценного камня 120, отображается с адекватным поперечным увеличением на матричном датчике камеры на ПЗС 166, состоящей по существу из объектива 162 микроскопа, установленного на удлинительном тубусе 164. Объективом 162 микроскопа предпочтительно является стандартный серийный объектив, предназначенный для использования с тубусом длиной 160 мм. Точная длина удлинительного тубуса 164 подбирается соответственно. Было установлено, что увеличенные изображения знаков, имеющих удобные общие размеры, хорошо подходят к размеру матричных датчиков на ПЗС при выборе объектива 162 микроскопа, обеспечивающего увеличение в диапазоне 10х - 20х. Этот диапазон обеспечивает удовлетворительное поперечное разрешение, а также удобное рабочее расстояние.FIG. 5 is a side view of a preferred embodiment of an optical reader 28 that forms part of the complete gemstone authentication system shown in FIG. 2. The design of the optical reader 28 is a relatively wide open imaging device in which a sign engraved in the volume of the gemstone 120 is displayed on the camera’s matrix sensor on the CCD 166. As a result, there is no raster scan of the probe laser beam over the surface of the gemstone 120. Microprocessor 186 receives the image data signals from the camera on the CCD 166 and then processes the image data files, and then sends them to the Central processor 20 of the authentication system displays on the communication data channel 24. The sign engraved in the volume of the gemstone 120 is displayed with adequate lateral magnification on the camera’s matrix sensor on the CCD 166, consisting essentially of a microscope lens 162 mounted on an extension tube 164. The microscope lens 162 is preferably a standard A serial lens designed for use with a 160 mm barrel. The exact length of the extension tube 164 is selected accordingly. It was found that enlarged images of signs having convenient overall dimensions fit well the size of CCD array sensors when selecting a microscope lens 162 that provides magnification in the range 10x - 20x. This range provides a satisfactory lateral resolution as well as a comfortable working distance.

Изображения с адекватной контрастностью можно получать из камеры на ПЗС 166, используя схему подсветки отраженным светом, которая обеспечивает светлопольное освещение меток, выгравированных в объеме драгоценного камня 120. Подсветка отраженным светом означает, в основном, что свет подсветки падает на образец (в данном случае, драгоценный камень 120) с верхней входной поверхности (в данном случае, с таблички драгоценного камня). Фактически, схема подсветки отраженным светом была необходима, чтобы позволить оптическому считывающему устройству 28 работать даже с камнями, вставленными в оправу, для которых свет подсветки, падающий снизу образца, исключен. Подсветку снизу не позволяют осуществлять и некоторые специфические формы драгоценных камней. Одним из аспектов схемы подсветки отраженным светом, предусмотренной для этого предпочтительного варианта осуществления оптического считывающего устройства 28, является кольцевая форма луча подсветки, когда он падает на табличку драгоценного камня 120. Этот луч света показан на фиг.5 стрелками 182. Диаметр кольца подсветки в плоскости таблички выбран достаточно широким, чтобы избежать любой прямой подсветки знака, когда последний находится в центральной зоне поля зрения оптического считывающего устройства. После вхождения в драгоценный камень 120 свет подсветки распространяется вниз и затем внутренне отражается вверх в разных направлениях ограненными и полированными гранями (фасетами), находящимися на нижней части (павильоне) драгоценного камня 120. При этом точечные метки, образующие знак, подсвечиваются снизу, обычно появляясь на изображениях как темные черные пятна на ярком фоне. Кольцеобразная головка 180 устройства подсветки, внутренний диаметр которой соответствует объективу 162 микроскопа, подает луч света подсветки 182 с кольцевой поперечной формой. Кольцеобразные головки устройства подсветки изготавливаются разных размеров многими поставщиками оборудования для систем визуализации изображений и машинного зрения.Images with adequate contrast can be obtained from the camera on the CCD 166 using the reflected light illumination scheme, which provides bright field illumination of the marks engraved in the volume of the gemstone 120. Reflected light illumination basically means that the illumination light falls on the sample (in this case, gem 120) from the upper entrance surface (in this case, from the gem plate). In fact, a backlight illumination scheme was necessary to allow the optical reader 28 to work even with stones inserted in the frame, for which the backlight incident from the bottom of the sample is excluded. The backlighting below does not allow for the implementation of certain specific forms of precious stones. One aspect of the reflected backlight scheme provided for this preferred embodiment of the optical reader 28 is the annular shape of the backlight when it hits the gemstone plate 120. This light beam is shown in FIG. 5 by arrows 182. The diameter of the backlight ring in the plane the plates are chosen wide enough to avoid any direct illumination of the sign when the latter is in the central zone of the field of view of the optical reader. After entering the gem 120, the illumination light propagates downward and then is reflected internally upward in different directions by faceted and polished faces (facets) located on the lower part (pavilion) of the gemstone 120. In this case, the dot marks forming the sign are highlighted from below, usually appearing on the images as dark black spots on a bright background. The annular head 180 of the backlight device, the inner diameter of which corresponds to the microscope objective 162, delivers a beam of backlight 182 with an annular transverse shape. The annular heads of the backlight device are manufactured in different sizes by many suppliers of equipment for image visualization systems and machine vision.

В предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг.5, свет подсветки создается широкополосным волоконно-оптическим устройством подсветки 176, а гибкий волоконно-оптический световод 178, сопряженный с выходной апертурой устройства подсветки, передает свет подсветки в кольцеобразную головку 180 устройства подсветки. Устройство подсветки 176, волоконно-оптический световод 178 и кольцеобразная головка 180 устройства подсветки вместе образуют полный блок подсветки 174. Воспользовавшись преимуществом схемы подсветки отраженным светом, показанной на фиг.5, контрастность изображений можно дополнительно увеличить, используя средства предотвращения попадания частей луча подсветки 182 в зону входной поверхности драгоценного камня, которая лежит непосредственно над выгравированным знаком. С этой целью с нижним концом объектива 162 микроскопа сопряжен конический световой экран 184, предназначенный для блокирования любого света подсветки 182, который иначе бы попал в центральную часть входной поверхности драгоценного камня. Апертура на нижнем конце конического светового экрана 184 настроена достаточно широко, чтобы объектив 162 микроскопа мог работать при своей номинальной числовой апертуре.In the preferred embodiment shown in FIG. 5, the backlight is generated by the broadband fiber optic backlight device 176, and the flexible fiber optic light guide 178 coupled to the output aperture of the backlight device transmits the backlight to the annular head 180 of the backlight. The backlight device 176, the fiber optic light guide 178, and the annular head 180 of the backlight device together form a complete backlight unit 174. Taking advantage of the reflected backlight scheme shown in FIG. 5, image contrast can be further increased by using means to prevent parts of the backlight beam 182 from getting into the area of the entrance surface of the gem, which lies directly above the engraved sign. To this end, a conical light screen 184 is coupled to the lower end of the microscope lens 162, which is designed to block any backlight 182 that would otherwise fall into the central part of the input surface of the gem. The aperture at the lower end of the conical light screen 184 is configured wide enough so that the microscope objective 162 can operate at its nominal numerical aperture.

Драгоценный камень 120, подлежащий обследованию оптическим считывающим устройством 28, закреплен в держателе 168, установленном на опорном основании 170. Держатель 168 можно выполнить так, чтобы он обеспечивал точное позиционирование драгоценного камня 120, при котором знак, выгравированный в центральной зоне таблички, появлялся почти в центре поля зрения оптического считывающего устройства 28. Для центрирования драгоценного камня в держателе 168 можно предусмотреть отдельный прибор (на этой фигуре не показанный), используя, например, увеличитель малого увеличения, содержащий градуированную окулярную сетку, два столика ручного микрометрического перемещения и плиту основания. После того как драгоценный камень правильно отцентрирован на окулярной сетке увеличителя, увеличитель убирают, а остальной узел передвигают на опорное основание 170, пока он не упрется в три отдельных контрольных упора 172, из которых на фиг.5 показан только один. Затем держатель можно прочно закрепить в правильном положении быстросъемным зажимом 188. Наконец, как часть операции установки драгоценного камня 120 в держателе 168, плоскость таблички драгоценного камня выставляется в одной плоскости с контрольной горизонтальной поверхностью узла держателя. Эта стадия необходима, чтобы обеспечить, что вертикальное положение драгоценного камня точно откорректировано, чтобы легко ввести изображения выгравированного знака в фокус.The gem 120 to be examined by the optical reading device 28 is mounted in a holder 168 mounted on a support base 170. The holder 168 can be configured to provide accurate positioning of the gemstone 120, in which a sign engraved in the central area of the plate appears almost in the center of the field of view of the optical reader 28. To center the gemstone in the holder 168, you can provide a separate device (not shown in this figure), using, for example, a magnifier small increase containing graded eyepiece grid, two stage manual micrometer displacement and the base plate. After the gem is correctly centered on the ocular grid of the magnifier, the magnifier is removed, and the rest of the node is moved to the supporting base 170 until it rests against three separate control stops 172, of which only one is shown in Fig. 5. The holder can then be firmly fixed in position with a quick-release clamp 188. Finally, as part of the installation of the gemstone 120 in the holder 168, the plane of the gemstone plate is aligned with the horizontal reference surface of the holder assembly. This stage is necessary to ensure that the vertical position of the gemstone is accurately adjusted to easily bring the engraved sign into focus.

В держателе 168, таком как конкретный держатель, показанный на фиг.5, можно крепить только отдельные, не вставленные в оправу драгоценные камни. Однако специалист в данной области может легко внести изменения в некоторые части держателя, чтобы можно было считывать знаки, выгравированные в драгоценных камнях в оправе, таких как драгоценные камни, вставленные в кольца, серьги, подвески, кулоны, болтающиеся части сережек и браслеты. При этом оптическое считывающее устройство 28 обычно используется с набором держателей 168, подходящих для драгоценных камней, вставленных в разные оправы.In a holder 168, such as the particular holder shown in FIG. 5, only individual, non-inserted gemstones can be attached. However, one of skill in the art can easily make changes to some parts of the holder so that signs engraved in precious stones in the frame, such as precious stones inserted in rings, earrings, pendants, pendants, dangling parts of earrings and bracelets, can be read. In this case, the optical reader 28 is usually used with a set of holders 168, suitable for precious stones inserted in different frames.

Узел оптического считывающего устройства 28 может помещаться в корпус самыми разными путями. Например, все компоненты, показанные на фиг.5, в том числе микропроцессор 186 и связанную электронику, можно поместить в один защитный корпус или шкаф. Предпочтительно, шкаф должен иметь приятный внешний вид, подходящий для окружения, такого как прилавок магазинов розничной торговли ювелирными изделиями. Отверстие в дверце, выполненное на лицевой боковой стенке шкафа, позволяет оператору вставлять держатель 168 драгоценного камня в узел, чтобы установить драгоценный камень 120 точно совмещенным с оптической осью оптического считывающего устройства. В лицевой боковой стенке шкафа находится пользовательский интерфейс, состоящий из жидкокристаллического дисплея и панели управления. Кроме того, узел оптического считывающего устройства 28 можно упаковать в виде ручной дистанционной зондирующей головки, подключенной к блоку управления и интерфейса. Это ручное устройство содержит объектив 162 микроскопа, удлинительный тубус 163, камеру на ПЗС 166 и полное устройство подсветки 174, все из которых выпускаются малогабаритными, чтобы их можно было упаковывать в удобное устройство, которое можно держать рукой. Например, устройство подсветки 174 можно выполнить в виде компактного кольцеобразного осветителя, в котором свет создается матрицей твердотельных светодиодов. Кроме того, специальный объектив 162 микроскопа можно разработать таким, чтобы он отображал предмет в плоскости ближе, чем вышеупомянутое стандартное расстояние 160 мм. Ручное конструктивное исполнение обладает тем преимуществом, что не требуется использование держателя 168 драгоценного камня и связанных с ним деталей 170, 172 и 188, поскольку драгоценный камень 120 просто приводится в контакт с передним концом зондирующей головки. С этой целью передний конец содержит плоскую пластинку, изготовленную из твердого прозрачного материала, на которую с плотным контактом укладывается табличка драгоценного камня. Плоская пластинка служит для размещения таблички драгоценного камня на правильном рабочем расстоянии от переднего конца объектива микроскопа. Юстировочные метки, выгравированные на плоской пластинке, помогают отцентрировать драгоценный камень относительно оптической оси считывающего устройства. В этом варианте осуществления зондирующая головка держится в одной руке, а драгоценный камень 120 в другой руке - либо пинцетом в случае отдельного камня, либо за оправы вставленных в оправы драгоценных камней.The optical reader assembly 28 can be housed in a variety of ways. For example, all the components shown in FIG. 5, including microprocessor 186 and associated electronics, can be placed in one protective case or cabinet. Preferably, the cabinet should have a pleasant appearance suitable for an environment such as a counter of jewelry retail stores. A hole in the door made on the front side wall of the cabinet allows the operator to insert the gemstone holder 168 into the assembly to set the gemstone 120 exactly aligned with the optical axis of the optical reader. In the front side wall of the cabinet there is a user interface consisting of a liquid crystal display and a control panel. In addition, the node optical reader 28 can be packaged in the form of a manual remote sensing head connected to the control unit and interface. This hand-held device contains a microscope objective 162, an extension tube 163, a CCD camera 166, and a full illumination device 174, all of which are small-sized so that they can be packaged in a convenient device that can be held by hand. For example, the illumination device 174 can be made in the form of a compact annular illuminator in which light is generated by a matrix of solid-state LEDs. In addition, the special microscope objective 162 can be designed so that it displays an object in a plane closer than the aforementioned standard distance of 160 mm. The manual construction has the advantage that it does not require the use of a gemstone holder 168 and associated parts 170, 172 and 188, since the gemstone 120 is simply brought into contact with the front end of the probe head. For this purpose, the front end contains a flat plate made of a solid transparent material on which a gemstone plate is placed with close contact. A flat plate is used to place the gemstone plate at the correct working distance from the front end of the microscope lens. Alignment marks engraved on a flat plate help center the gem relative to the optical axis of the reader. In this embodiment, the probe head is held in one hand and the gemstone 120 in the other hand is either with tweezers in the case of a single stone, or by the rims inserted in the rims of the gemstones.

Вписывание меток в объеме драгоценных камнейLabeling in gem volume

Фиг.6 представляет собой вид сбоку драгоценного камня 120, в объеме которого выгравированы две отличные точечные метки, обозначенные одинаковой позицией 148. В частности, на фиг.6 показан алмаз, имеющий круглую бриллиантовую огранку. Табличкой этого алмазного драгоценного камня является верхняя горизонтальная плоская поверхность 140, на которую при мечении падает записывающий лазерный луч. Алмаз, имеющий круглую бриллиантовую огранку, имеет также корону 142 и павильон 146; обе эти части состоят из нескольких граней (фасет), на этой фигуре не показанных. Рундист 144 - это периферийный поясок, отделяющий корону 142 от павильона 146.Fig.6 is a side view of the gemstone 120, in the volume of which two excellent point marks are engraved, indicated by the same position 148. In particular, Fig.6 shows a diamond having a round diamond cut. The plate of this diamond gemstone is the upper horizontal flat surface 140, upon which a recording laser beam is incident upon marking. A diamond having a round diamond cut also has a crown 142 and pavilion 146; both of these parts consist of several faces (facets), not shown in this figure. The girdle 144 is a peripheral girdle separating the crown 142 from the pavilion 146.

Одним из важных аспектов предлагаемого способа является мечение точечных меток, имеющих регулируемый размер, в объеме драгоценного камня, такого как алмаз. Понятно, что при мечении в объеме поверхность падения (т.е. табличка) драгоценного камня, а также часть объема материала драгоценного камня, находящаяся вдоль внутренней траектории записывающего лазерного луча, ни в коем случае не должны изменяться. Иными словами, вызываемые лазером структурные изменения, которые приводят к образованию постоянных меток, должны начинаться только в тонком слое, находящемся на глубине d ниже таблички 140 драгоценного камня, как показано на фиг.6. Толщина этого воображаемого тонкого слоя определяется общей точностью процесса при мечении на номинальной глубине d ниже таблички 140. Для упрощения обычно желательно, чтобы все метки 148 лежали на одной глубине, поскольку это помогает добиться того, что весь набор меток находился в точном фокусе в изображениях, снимаемых оптическим считывающим устройством 28. Метки 148 распределены в тонком слое в соответствии с рисунком, который зависит от символики (схемы кодирования), выбранной для кодирования данных аутентификации, а также от конкретного идентификационного кода, приписанному данному драгоценному камню. Например, фиг.7 представляет собой вид сверху алмазного бриллианта, имеющего круглую бриллиантовую огранку, на котором показаны три отличные метки 148, образующие знак. Прямоугольник 150, нарисованный пунктирными линиями (с короткими пунктирами), ограничивает наружный контур поля зрения в предметной плоскости оптического считывающего устройства 28, выполненного в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Для этого варианта осуществления, показанного на фиг.5, необходимо, чтобы мечение знака выполнялось в центральной зоне таблички 140.One important aspect of the proposed method is the labeling of point marks having an adjustable size in the volume of a gem, such as diamond. It is clear that when marking in volume, the surface of the fall (i.e. plate) of the gemstone, as well as part of the volume of the gemstone material located along the internal path of the recording laser beam, should in no case be changed. In other words, laser-induced structural changes that result in the formation of permanent marks should only begin in a thin layer at a depth d below the gem plate 140, as shown in FIG. 6. The thickness of this imaginary thin layer is determined by the overall accuracy of the process when marking at a nominal depth d below the plate 140. For simplicity, it is usually desirable that all marks 148 lie at the same depth, as this helps to ensure that the entire set of marks is in exact focus in the images, captured by the optical reader 28. The tags 148 are distributed in a thin layer in accordance with the pattern, which depends on the symbology (coding scheme) selected for encoding the authentication data, as well as on the specific identification code attributed to this gem. For example, FIG. 7 is a plan view of a diamond having a round brilliant cut, which shows three distinct marks 148 forming a mark. Rectangle 150, drawn with dashed lines (with short dashed lines), limits the outer contour of the field of view in the subject plane of the optical reader 28, made in accordance with a preferred embodiment of the present invention. For this embodiment, shown in FIG. 5, it is necessary that the marking of the mark is performed in the central area of the plate 140.

В другом варианте осуществления предлагаемого способа метки могли бы в пределах сути настоящего изобретения вписываться на разных глубинах драгоценного камня 120, приводя, таким образом, к вписыванию трехмерных знаков. По сравнению с их двухмерными аналогами трехмерные знаки обладают преимуществом большей скрытности, поскольку составляющие знак метки нельзя одновременно привести в фокус, если рассматривать их через оптический прибор, глубина резкости пространственного изображения которых короче, чем диапазон глубин, в котором выгравированы составляющие знак метки. С другой стороны, большая трудность обнаружения трехмерных знаков означает, что конструкцию оптического считывающего устройства 28, схематически показанного на фиг.5, необходимо модернизировать, чтобы можно было отображать плоскости, находящиеся на разных глубинах в объеме драгоценного камня. Такую модернизацию можно было бы осуществить, например, посредством управляемого вертикального перемещения держателя 168. При этом изображения последовательно записывались бы камерой на ПЗС 166 во время вертикального перемещения драгоценного камня 120. Весь знак можно было бы затем восстановить путем объединения подмножества изображений, в которых каждая отдельная метка приведена в резкий фокус, при поддерживании их относительных положений неизменными. Полученное в результате составное изображение можно было бы затем направить в ЦП 20 для последующей расшифровки знака. Этот дополнительный вариант осуществления оптического считывающего устройства 28 обладает тем преимуществом, что устраняется необходимость вписывания меток на очень точных глубинах в объеме драгоценного камня 120.In another embodiment of the proposed method, marks could fit within different depths of the gemstone 120 within the meaning of the present invention, thereby leading to the insertion of three-dimensional characters. Compared to their two-dimensional counterparts, three-dimensional signs have the advantage of greater secrecy, since the components of the sign of the mark cannot be brought into focus at the same time, if you look at them through an optical device, the depth of field of the spatial image of which is shorter than the range of depths in which the components of the mark of the mark are engraved. On the other hand, the great difficulty in detecting three-dimensional characters means that the design of the optical reader 28, shown schematically in FIG. 5, needs to be modernized so that planes at different depths in the gemstone volume can be displayed. Such an upgrade could be accomplished, for example, by controlled vertical movement of the holder 168. In this case, the images would be sequentially recorded by the camera on the CCD 166 during the vertical movement of the gemstone 120. The entire sign could then be restored by combining a subset of the images in which each individual the mark is brought into sharp focus, while maintaining their relative positions unchanged. The resulting composite image could then be sent to the CPU 20 for subsequent decryption of the sign. This additional embodiment of the optical reader 28 has the advantage of eliminating the need to enter marks at very precise depths in the volume of the gemstone 120.

На фиг.6 и 7 относительные размеры меток 148 показаны очень увеличенными, поскольку на практике они должны оставаться не обнаруживаемыми, если смотреть на табличку невооруженным глазом или через оптический прибор, имеющий 10-кратное увеличение. Очень нужно даже, чтобы метки было трудно обнаружить при рассматривании без какой-либо предварительной поисковой точки через бинокулярные микроскопы, используемые в настоящее время в геммологии. Собственная непрозрачность составляющего материала выгравированных меток 148 особенно усложняет выполнение их скрытными, если будут использоваться вышеупомянутые визуальные средства. Ключ к скрытности меток - выполнить такую операцию лазерного мечения, которая делает возможным подповерхностное вписывание меток, имеющих общие индивидуальные размеры, не превышающие примерно 5 мкм, предпочтительно, менее 2 мкм.6 and 7, the relative sizes of the marks 148 are shown to be very enlarged, since in practice they should remain undetectable when looking at the plate with the naked eye or through an optical device having a 10-fold increase. It is even very necessary that the tags be difficult to detect when viewed without any preliminary search point through binocular microscopes currently used in gemology. The intrinsic opacity of the constituent material of the engraved marks 148 makes it particularly difficult for them to be hidden if the aforementioned visual aids are used. The key to the secrecy of tags is to perform a laser tagging operation that enables subsurface inscribing of tags having common individual sizes not exceeding about 5 microns, preferably less than 2 microns.

Управление фокусированием записывающего лазерного луча в драгоценный каменьGemstone recording laser beam focus control

Один из важных аспектов вписывания лазером точечных меток диаметром лишь несколько микрон относится к фокусированию записывающего лазерного луча в объем драгоценного камня 120. Фокусирование записывающего лазерного луча в объем драгоценного камня 120 схематически показано на фиг.8. Стрелками 152 показан общий наружный контур распределения оптической интенсивности записывающего (поперечно расширенного) лазерного луча 78 (см. фиг.4), который распространяется вдоль оптической оси 156 и попадает во входной зрачок фокусирующего объектива 118. Стрелками 154 показан наружный контур записывающего лазерного луча, выходящего из объектива 118, жестко сфокусированного на объеме, находящемся на глубине d ниже таблички 140 драгоценного камня 120.One important aspect of inscribing a laser dot mark with a diameter of only a few microns relates to focusing the recording laser beam into the volume of the gemstone 120. Focusing the recording laser beam into the volume of the gemstone 120 is shown schematically in FIG. Arrows 152 show the general outer contour of the optical intensity distribution of the recording (transversely expanded) laser beam 78 (see FIG. 4), which propagates along the optical axis 156 and enters the entrance pupil of the focusing lens 118. Arrows 154 show the outer contour of the recording laser beam exiting from the lens 118, rigidly focused on the volume at a depth d below the plate 140 of the gemstone 120.

Чтобы добиться необходимых характеристик луча в объеме драгоценного камня 120, необходимо тщательно выбирать числовую апертуру объектива 118, которая является показателем углового расхождения луча, выходящего из этого оптического компонента. С одной стороны, при увеличении числовой апертуры объектива диаметр WF профиля интенсивности лазерного луча в плоскости наилучшего фокуса становится меньше. Эта тенденция наблюдается в режиме, в котором сфокусированный лазерный луч 154 не сильно искажен сферическими аберрациями, возникающими при его распространении через различные оптические элементы объектива 118. Кроме того, увеличение числовой апертуры объектива помогает уменьшить риск нанесения вызываемых лазером оптических повреждений поверхности таблички 140. Это является результатом диаметра WS распределения интенсивности луча в плоскости таблички 140, который можно сделать значительно больше, чем соответствующий диаметр WF профиля интенсивности луча в плоскости наилучшего фокуса. В результате интегральная плотность оптического потока (флюенса) (энергия на единицу площади) в плоскости таблички 140 может быть намного ниже флюенса, необходимого для инициирования развития точечной метки 148.In order to achieve the necessary beam characteristics in the volume of the gemstone 120, it is necessary to carefully select the numerical aperture of the lens 118, which is an indicator of the angular divergence of the beam emerging from this optical component. On the one hand, with an increase in the numerical aperture of the lens, the diameter W F of the laser beam intensity profile in the plane of best focus becomes smaller. This trend is observed in a mode in which the focused laser beam 154 is not strongly distorted by spherical aberrations arising from its propagation through the various optical elements of the lens 118. In addition, increasing the numerical aperture of the lens helps to reduce the risk of laser damage to the surface of the plate 140 caused by this. This is the result of the diameter W S of the beam intensity distribution in the plane of the plate 140, which can be made significantly larger than the corresponding profile diameter W F beam intensities in the plane of best focus. As a result, the integrated density of the optical flux (fluence) (energy per unit area) in the plane of the plate 140 may be much lower than the fluence necessary to initiate the development of a point mark 148.

С другой стороны, использование объектива 118 с более высокой числовой апертурой приводит к меньшему (и, возможно, неудобному) рабочему расстоянию S, показанному на фиг.8, а сфокусированный лазерный луч может значительно ухудшиться любой остаточной оптической шероховатостью, присутствующей на полированной поверхности таблички 140. Кроме того, при оценке минимального поперечного размера WF луча в плоскости наилучшего фокуса необходимо учитывать влияния сферических аберраций, вызываемых прохождением записывающего лазерного луча в объективе 118. Практическим решением для фокусирования является объектив 118, имеющий фокусное расстояние в пределах 5-10 мм и числовую апертуру 0,35-0,55. Из-за очень жесткого фокусирования записывающего лазерного луча, для того чтобы получить плоскость наилучшего фокуса на требуемой глубине d ниже таблички 140 вместе с требуемым размером пятна луча WF в этой плоскости, необходимо выполнить расчеты для построения хода луча, должным образом учитывающие точную оптическую конструкцию фокусирующего объектива 118. Глубина d предпочтительно задается в пределах примерно от 200 до 700 мкм. Вписывание меток на большей глубине ниже поверхности таблички 140 обеспечивает большую скрытность меток. С другой стороны, больший путь распространения записывающего лазерного луча в материал драгоценного камня повышает вероятность возмущения луча природными включениями и другими видами неоднородностей, присутствующими в материале.On the other hand, the use of a lens 118 with a higher numerical aperture results in a smaller (and possibly inconvenient) working distance S shown in FIG. 8, and the focused laser beam can significantly deteriorate with any residual optical roughness present on the polished surface of the plate 140 . Furthermore, in the evaluation of the minimum transverse dimension W F beam in best focus plane is necessary to consider the influence of spherical aberration caused by the passage of the writing laser beam at the lens 118. A practical solution is to focus the lens 118 having a focal length in the range of 5-10 mm and a numerical aperture of 0,35-0,55. Due to the very hard focusing of the recording laser beam, in order to obtain the plane of best focus at the required depth d below the plate 140 together with the required beam spot size W F in this plane, it is necessary to perform calculations to construct the beam path, taking into account the exact optical design focusing lens 118. The depth d is preferably set in the range of about 200 to 700 microns. Inserting marks at a greater depth below the surface of plate 140 provides greater concealment of marks. On the other hand, a larger propagation path of the recording laser beam into the gem material increases the likelihood of the beam being disturbed by natural inclusions and other types of inhomogeneities present in the material.

Описание предпочтительного варианта осуществления схемы кодированияDescription of a preferred embodiment of a coding scheme

Выше подробно рассмотрены некоторые аспекты способа гравирования точечных меток, имеющих общий размер предпочтительно примерно 1 мкм, в объеме драгоценных камней с целью сделать каждую отдельную метку почти незаметной при использовании визуальных средств, обычно применяемых в данной области. К сожалению, нетрудно понять, что если знак состоит из чрезмерно большого числа непрозрачных точечных меток, распределенных на площади ограниченного размера, он может стать легковидимым. Соответственно, еще одним важным аспектом настоящего изобретения является способ кодирования машинно-считываемой идентификационной информации в знаках, образованных лишь из небольшого числа отдельных меток.Above, some aspects of the method of engraving point marks having a total size of preferably about 1 μm in the gemstone volume are described in detail with the aim of making each individual mark almost invisible using visual means commonly used in the art. Unfortunately, it is easy to understand that if a mark consists of an excessively large number of opaque point marks distributed over a limited area, it can become easily visible. Accordingly, another important aspect of the present invention is a method for encoding machine-readable identification information in characters formed from only a small number of individual tags.

На фиг.9 представлен схематический вид знака 198, выполненного по предпочтительной предлагаемой схеме кодирования. Знак 198 содержит пять меток, которые в соответствии с их конкретными ролями в схеме кодирования можно разбить на две группы. Так, первая группа меток, обозначенных позициями 200А, 200В и 200С, образуют углы геометрической фигуры, назначение которой - позволить точно распознать знак 198 компьютерным программным обеспечением, которое обрабатывает изображения, передаваемые предлагаемым оптическим считывающим устройством 28. Конкретной геометрической фигурой, показанной на фиг.9, является треугольник, стороны которого начерчены пунктирными линиями. Путем включения в первую группу дополнительных меток можно построить и другие геометрические фигуры в пределах сути предпочтительной схемы кодирования в соответствии с настоящим изобретением. Вторая группа включает две метки, обозначенные позициями 292А и 202В. Эти метки служат исключительно для кодирования идентификационных данных. Дополнительные метки можно включить и во вторую группу. В предпочтительной схеме кодирования числовые данные, которые однозначно идентифицируют драгоценный камень, кодируются по положениям точек 202А и 202 В. Эти положения выражаются парами пространственных координат (Х1, Y1) и (Х2, Y2) соответственно. Для кодирования идентификационных данных с целью увеличения числа разных комбинаций, допускаемых схемой кодирования, служат некоторые конкретные атрибуты треугольника, показанного пунктирной линией. В примере, показанном на фиг.9, для создания полного идентификационного кода, приписанного драгоценному камню, к упомянутым выше парам пространственных координат прибавляются значения двух внутренних углов α и β. Полный числовой идентификационный код, полученный из этого знака 198, можно выразить потоком данных (X1, Y1, X2, Y2, α, β), состоящим из шести элементов. Для увеличения числа отличных идентификационных кодов этот поток данных можно удлинить включением пространственных координат, связанных с дополнительными кодирующими метками.Figure 9 presents a schematic view of the sign 198, made according to the preferred proposed coding scheme. Sign 198 contains five labels, which, in accordance with their specific roles in the coding scheme, can be divided into two groups. Thus, the first group of marks, indicated by 200A, 200B and 200C, form the corners of a geometric figure, the purpose of which is to allow accurate recognition of the sign 198 by computer software that processes the images transmitted by the proposed optical reader 28. The specific geometric figure shown in FIG. 9 is a triangle whose sides are drawn in dashed lines. By including additional marks in the first group, other geometric shapes can be constructed within the spirit of the preferred coding scheme in accordance with the present invention. The second group includes two labels, indicated by 292A and 202B. These tags are used exclusively for encoding identification data. Additional labels can be included in the second group. In a preferred coding scheme, numerical data that uniquely identifies a gemstone is encoded at the positions of points 202A and 202 B. These positions are expressed in pairs of spatial coordinates (X 1 , Y 1 ) and (X 2 , Y 2 ), respectively. In order to encode the identification data in order to increase the number of different combinations allowed by the encoding scheme, some specific attributes of the triangle shown by the dashed line are used. In the example shown in Fig. 9, to create the complete identification code attributed to the gem, the values of the two internal angles α and β are added to the pairs of spatial coordinates mentioned above. The full numerical identification code obtained from this character 198 can be expressed as a data stream (X 1 , Y 1 , X 2 , Y 2 , α, β) consisting of six elements. To increase the number of excellent identification codes, this data stream can be lengthened by including spatial coordinates associated with additional coding marks.

На первый взгляд, присутствие кодирующих меток 202А и 202В не позволит выполнить надежное машинное распознание знака 198, поскольку по пяти меткам, показанным на этой фигуре, можно построить большое число разных треугольников. Программное обеспечение распознавания может избавить от этой потенциальной трудности. Для этого ему нужно просто дать команду учитывать треугольник, имеющий самую длинную сторону - в данном случае, сторону 208 длиной L, как показано на фиг.9. Это означает, что все равносторонние треугольники из предпочтительной схемы кодирования исключены. Исключение равносторонних треугольников дает также схему распознавания, инвариантную при вращении знака 198 на изображениях, полученных из оптического считывающего устройства 28. Вращательно-инвариантное распознавание знака 198 важно, поскольку метка 200С, которая образует левый конец самой большей стороны 208 треугольника, определяет и начало координат прямоугольной X-Y системы координат, в которой определяются положения кодирующих меток 202А и 202В. Прямоугольная X-Y система координат, связанная со знаком 198, показана на фиг.9 осью Х 204 и осью Y 206. Привязка пространственных координат точек 202А и 202В к положению точки 200С обеспечивает, что и процесс декодирования является инвариантным при перемещении знака. Это преимущественное свойство подразумевает, что знак 198 не требуется располагать в конкретном месте на поверхности таблички драгоценного камня. Кроме того, знак не нужно точно центрировать в выходном сигнале изображений с оптического считывающего устройства 28.At first glance, the presence of coding marks 202A and 202B will not allow reliable machine recognition of sign 198, since the five marks shown in this figure can be used to construct a large number of different triangles. Recognition software can eliminate this potential difficulty. To do this, he just needs to give the command to take into account the triangle having the longest side - in this case, side 208 of length L, as shown in Fig. 9. This means that all equilateral triangles are excluded from the preferred coding scheme. The exclusion of equilateral triangles also gives a recognition scheme that is invariant when the sign 198 is rotated on images obtained from the optical reader 28. Rotationally invariant recognition of the sign 198 is important because the label 200C, which forms the left end of the largest side 208 of the triangle, determines the origin of the rectangular XY coordinate system in which the positions of the coding marks 202A and 202B are determined. The rectangular X-Y coordinate system associated with the sign 198 is shown in FIG. 9 by the X axis 204 and the Y axis 206. Linking the spatial coordinates of points 202A and 202B to the position of point 200C ensures that the decoding process is also invariant when moving the sign. This advantageous property implies that the sign 198 does not need to be placed in a specific place on the surface of the gemstone plate. In addition, the sign does not need to be accurately centered in the output signal of the images from the optical reader 28.

Декодирование идентификационного кода, зашифрованного в знаке 198, делается инвариантным при масштабировании путем выражения пространственных координат кодирующих меток 202А и 202В относительно длины L самой большой стороны 208 треугольника. При этом отдельные пространственные координаты X1, Y1, X2 и Y2 даются значениями, внутренне ограниченными интервалом от 0 до 1. Осуществление процесса распознавания, являющегося инвариантным при масштабировании изображений, оказывается очень эффективным, если эти изображения снимаются различными оптическими считывающими устройствами 28, оснащенными объективами 162 микроскопа, которые не обязательно дают одинаковое увеличение. Кроме того, точная физическая длина L стороны 208 не влияет на распознавание знака и его последующее декодирование. На практике длина наибольшей стороны 208 треугольника выбирается так, чтобы весь знак 198 мог всегда полностью заключаться в поле зрения на предметной плоскости оптического считывающего устройства 28 независимо от того, как знак повернут относительно контура поля зрения. Однако в некоторых случаях общие размеры знака должны выдерживаться относительно мелкими, поскольку крайне предпочтительно, чтобы вся зона, ограниченная наружным контуром знака, не имела какого-либо природного включения, которое могло бы обнаруживаться в изображениях, снятых оптическим считывающим устройством 28. Отсутствие в знаке какого-либо включения особенно важно в случаях, когда эти включения могут очень напоминать выгравированные метки. При этом отпадает необходимость в фильтрации их с изображений программным обеспечением распознавания перед началом распознавания знака.The decoding of the identification code encoded in sign 198 is made invariant when scaling by expressing the spatial coordinates of the coding marks 202A and 202B with respect to the length L of the largest side 208 of the triangle. In this case, the individual spatial coordinates X 1 , Y 1 , X 2 and Y 2 are given by values internally limited by an interval from 0 to 1. Implementation of the recognition process, which is invariant when scaling images, is very effective if these images are captured by various optical reading devices 28 equipped with 162 microscope lenses that do not necessarily give the same magnification. In addition, the exact physical length L of the side 208 does not affect character recognition and its subsequent decoding. In practice, the length of the largest side 208 of the triangle is selected so that the entire sign 198 can always be completely enclosed in the field of view on the subject plane of the optical reader 28, regardless of how the sign is rotated relative to the contour of the field of view. However, in some cases, the overall dimensions of the sign must be kept relatively small, since it is extremely preferable that the entire area bounded by the outer contour of the sign does not have any natural inclusion that could be detected in images captured by the optical reader 28. The absence of any sign or inclusions are especially important in cases where these inclusions can be very reminiscent of engraved marks. At the same time, there is no need to filter them from images with recognition software before starting recognition of the sign.

В другом варианте осуществления оптического считывающего устройства 28 увеличение объектива 162 микроскопа можно было бы точно откалибровать, чтобы можно было точно измерять фактическую длину L самой большой стороны 208 треугольника, которая служит для распознания знака 198. Измеренное значение L можно затем включить как седьмой элемент в потоке данных (X1, Y1, Х2, Y2, α, β), который является числовым представлением идентификационного кода, зашифрованного в знаке 198. Добавление измеренного значения L как части идентификационных кодов дает в результате значительное увеличение числа отличных комбинаций, допускаемых схемой кодирования.In another embodiment of the optical reader 28, the magnification of the microscope lens 162 could be accurately calibrated so that the actual length L of the largest side 208 of the triangle, which serves to recognize the sign 198, can be accurately measured. The measured value of L can then be included as the seventh element in the stream data (X 1, Y 1, X 2, Y 2, α, β), which is a numerical representation of the identification code, encoded in the symbol 198. The addition of the measured value L as part of the identification codes yields Res ltate a significant increase in the number of different combinations allowed by the encoding scheme.

В предпочтительной схеме кодирования метки 202А и 202В всегда находятся внутри треугольника, ограничивающего знак 198, так что диапазон допустимых значений для их пространственных координат охватывает лишь ограниченную часть максимального интервала, охватывающего значения от 0 до 1. Интервал изменения для каждой отдельной координаты X1, Y1, Х2 или Y2 в примере, представленном на фиг.9, зависит, фактически, от предварительного выбора пары углов α и β, которые определяют конкретную форму треугольника. Кроме того, во избежание какой-либо путаницы между идентификационными кодами, отличающимися только значением одной координаты, для любой данной координаты допускаются только дискретные значения. На практике шаг приращения между двумя последовательными значениями, допускаемый пространственной координатой, диктуется общим разрешением схемы оптического считывания. Это разрешение зависит от ряда факторов, таких как собственный размер каждой вписанной метки, разрешение по плоскости (или разрешающая способность) объектива 162 микроскопа оптического считывающего устройства 28, размеры чувствительных фотоэлементов матричного датчика камеры на ПЗС 166 и возможность получения изображения меток в резком фокусе. Например, чтобы обеспечить, чтобы две соседние метки, разделенные шагом приращения, были всегда четко различимы на изображениях, передаваемых оптическим считывающим устройством, для разрешенных пространственных координат меток, имеющих диаметр 1 мкм, можно было задать шаг приращения примерно 4 мкм. Это означает, что если бы треугольник, ограничивающий знак 198, имел самую большую сторону, скажем, L=300 мкм, координата Х кодирующих меток могла бы принимать максимум 75 разных значений. В приведенном выше примере число допустимых значений для каждой координаты на самом деле будет значительно ниже 75, поскольку верхние границы интервалов, в которых могут меняться координаты, определяются двумя другими сторонами треугольника. Это особенно очевидно для координат Y1 и Y2, относящихся к вертикальным положениям кодирующих меток 202А и 202В на фиг.9.In the preferred coding scheme, labels 202A and 202B are always inside the triangle bounding the sign 198, so that the range of acceptable values for their spatial coordinates covers only a limited part of the maximum interval covering values from 0 to 1. The change interval for each individual coordinate X 1 , Y 1 , X 2 or Y 2 in the example shown in Fig. 9, depends, in fact, on the preliminary selection of a pair of angles α and β, which determine the specific shape of the triangle. In addition, in order to avoid any confusion between identification codes that differ only in the value of one coordinate, only discrete values are allowed for any given coordinate. In practice, the increment between two consecutive values allowed by the spatial coordinate is dictated by the general resolution of the optical readout circuit. This resolution depends on a number of factors, such as the intrinsic size of each inscribed mark, the plane resolution (or resolution) of the microscope objective 162 of the optical reader 28, the sizes of the sensitive photocells of the camera matrix sensor on the CCD 166, and the ability to capture the images in sharp focus. For example, to ensure that two adjacent marks separated by an increment are always clearly visible on images transmitted by an optical reader, for the allowed spatial coordinates of the marks having a diameter of 1 μm, an increment of approximately 4 μm can be set. This means that if the triangle bounding the sign 198 had the largest side, say, L = 300 μm, the X coordinate of the coding marks could take a maximum of 75 different values. In the above example, the number of acceptable values for each coordinate will actually be significantly lower than 75, since the upper boundaries of the intervals in which coordinates can change are determined by the other two sides of the triangle. This is especially evident for the coordinates Y 1 and Y 2 related to the vertical positions of the coding marks 202A and 202B in FIG. 9.

Способ лазерного мечения в драгоценных камнях с извлечением выгоды из присутствия внутренних дефектов и примесейLaser marking method in precious stones with benefit from the presence of internal defects and impurities

Предпочтительная последовательность операций при вписывании лазером знаков в объеме драгоценного камня приведена на блок-схеме, представленной на фиг.10А и 10В. Эта последовательность операций осуществляется путем обмена сообщениями между ЦП 20 системы аутентификации драгоценных камней, показанной на фиг.2, и дистанционной станцией лазерного мечения 26. На первой стадии 220 центральным процессором 20 создают идентификационный код в соответствии с требованиями и правилами, оговоренными в схеме кодирования, используемой в системе аутентификации. Затем на стадии 230 обеспечивают доступ ЦП 20 к базе данных 22 для проверки, не присвоен ли уже вновь созданный идентификационный код какому-либо ранее меченому драгоценному камню. Если на стадии 240 устанавливают, что он зарезервирован, его сразу же изменяют на стадии 250 и затем снова проверяют на стадии 230, пока окончательно не получают действительный идентификационный код. Затем на стадии 260 исходя из выбранного идентификационного кода создают соответствующий рисунок знака в соответствии с предпочтительной символикой, такой как показана на фиг.9. Построение рисунка для знака заключается, в основном, в установлении относительного пространственного положения каждой из различных меток, которая образует часть знака, так чтобы идентификационный код стал правильно зашифрованным в рисунке. Рисунок знака затем преобразуют в последовательность машинных команд, которую передают на станцию лазерного мечения 26, чтобы на стадии 270 можно было осуществить процесс мечения. Метки гравируют в последовательном порядке, а драгоценный камень при вписывании каждой отдельной метки удерживают неподвижным. После успешного завершения операции мечения любой данной метки оснащенными электроприводами столиками линейного перемещения 124А, 124В и 124С узла установки изделия 54 (см. фиг.4) драгоценный камень 120 перемещают, пока следующее место для мечения точно не совпадет с оптической осью записывающего лазерного луча.The preferred sequence of operations when inscribing laser marks in the volume of the gemstone is shown in the flowchart shown in figa and 10B. This sequence of operations is carried out by exchanging messages between the CPU 20 of the gemstone authentication system shown in FIG. 2 and the remote laser tagging station 26. In a first step 220, an identification code is generated by the central processor 20 in accordance with the requirements and rules specified in the encoding scheme, used in the authentication system. Then, at step 230, the CPU 20 is provided with access to the database 22 to check whether the newly created identification code is assigned to any previously labeled gemstone. If it is determined in step 240 that it is reserved, it is immediately changed in step 250 and then checked again in step 230 until a valid identification code is finally received. Then, at step 260, based on the selected identification code, a corresponding character pattern is created in accordance with the preferred symbolism, such as that shown in FIG. 9. The construction of a picture for a sign consists mainly in establishing the relative spatial position of each of the various marks, which forms part of the sign, so that the identification code is correctly encrypted in the figure. The mark pattern is then converted into a sequence of machine instructions, which is transmitted to the laser tagging station 26 so that the tagging process can be carried out at step 270. The marks are engraved in sequential order, and the gem is kept stationary when each individual mark is entered. After the successful completion of the marking operation of any given mark with electric-powered linear-movement tables 124A, 124B and 124C of the product installation unit 54 (see Fig. 4), the gemstone 120 is moved until the next marking place exactly matches the optical axis of the recording laser beam.

Одним из элементов новизны настоящего изобретения является то, что вызываемые лазером структурные изменения в материале драгоценного камня, приводящие к росту непрозрачного пятна, инициируются дефектами или примесями, присутствующими в объеме материала, где записывающий лазерный луч достигает своего наименьшего поперечного размера или, эквивалентно, своей максимальной интегральной плотности оптического потока. Самородные алмазы обычно содержат самые разные невидимые структурные дефекты и примеси, большинство из которых являются примесными атомами, такими как атомы азота, водорода и бора, причем чаще всего встречающимися являются атомы азота. Инициирование мечения точечных структур с внутренних дефектов начинает процесс мечения фемтосекундными лазерными импульсами, несущими энергию намного ниже пороговой энергии, необходимой для создания структурных изменений в остальных отношениях в идеальном материале алмаза. Как следствие, записывающий лазерный луч может излучаться лазерами с твердотельной средой усиления титан-сапфир (Ti:сапфир) без необходимости в каком-либо последующем оптическом усилении лазерных импульсов. Кроме того, при использовании лазерных импульсов, имеющих «безопасные» уровни интегральной плотности оптического потока в плоскости, совпадающей с табличкой, риски нанесения оптических повреждений табличке драгоценного камня резко снижаются.One of the novelty features of the present invention is that laser-induced structural changes in the gem material leading to the growth of an opaque spot are triggered by defects or impurities present in the bulk of the material where the recording laser beam reaches its smallest transverse dimension or, equivalently, its maximum integrated optical flux density. Native diamonds usually contain a wide variety of invisible structural defects and impurities, most of which are impurity atoms, such as nitrogen, hydrogen and boron atoms, with nitrogen atoms being the most common. The initiation of the labeling of point structures from internal defects begins the process of labeling with femtosecond laser pulses that carry energy far below the threshold energy necessary to create structural changes in other respects in the ideal diamond material. As a result, a recording laser beam can be emitted by lasers with a solid-state amplification medium titanium-sapphire (Ti: sapphire) without the need for any subsequent optical amplification of the laser pulses. In addition, when using laser pulses having “safe” levels of integrated optical flux density in a plane that matches the plate, the risks of optical damage to the gemstone plate are dramatically reduced.

Вместе с тем, один из серьезных недостатков инициирования построения непрозрачных меток с естественно встречающимися дефектами и примесями обусловлен случайным пространственным распределением этих дефектов наряду с их концентрацией, которая в одном и том же драгоценном камне значительно меняется от участка к участку. Кроме того, драгоценные камни очень высокого качества, такие как сортированные как внутренне бездефектные, часто имеют зоны в своем объеме, которые практически не имеют каких-либо «нужных» дефектов, тем самым требуя повышенных уровней энергии и (или) большего числа лазерных импульсов. На практике протокол лазерного мечения обычно будет включать постепенное повышение энергии импульса до инициирования роста метки. Максимальная допустимая энергия будет определяться конкретной лазерной системой, используемой в станции мечения, и эта энергия могла бы превышать пороговую энергию для вызывания структурных изменений в объеме идеального материала драгоценного камня. При этом протокол лазерного мечения будет предусматривать возможность вписывания меток в участке, не имеющем каких-либо дефектов или примесей. Однако, как показано на фиг.1А и 1C, при использовании повышенных уровней энергии повышается вероятность инициирования роста нежелательных меток на всем пути записывающего лазерного луча внутри драгоценного камня. Кроме того, максимальная энергия импульса, допустимая для надежного и безопасного вписывания в драгоценных камнях, таких как алмазы, может ограничиваться нелинейными оптическими эффектами, такими как самофокусировка, особенно при использовании фокусирующего объектива с более низкой числовой апертурой.At the same time, one of the serious drawbacks of initiating the construction of opaque labels with naturally occurring defects and impurities is due to the random spatial distribution of these defects along with their concentration, which varies significantly from site to site in the same gem. In addition, gemstones of very high quality, such as sorted as internally defective, often have zones in their volume that have virtually no “necessary” defects, thereby requiring increased energy levels and (or) more laser pulses. In practice, the laser tagging protocol will typically include a gradual increase in the pulse energy before initiating label growth. The maximum allowable energy will be determined by the particular laser system used in the tagging station, and this energy could exceed the threshold energy to cause structural changes in the volume of the ideal gem material. In this case, the laser tagging protocol will provide for the possibility of marking in a section that does not have any defects or impurities. However, as shown in FIGS. 1A and 1C, using elevated energy levels increases the likelihood of initiating the growth of unwanted marks all along the path of the recording laser beam inside the gem. In addition, the maximum pulse energy allowed for a reliable and safe fit in gemstones such as diamonds may be limited by non-linear optical effects such as self-focusing, especially when using a focusing lens with a lower numerical aperture.

Предлагаемый способ позволяет избавиться от недостатка, обусловленного случайным распределением внутренних дефектов и примесей в драгоценном камне, подлежащем мечению, путем осуществления контроля в реальном масштабе времени роста каждой отдельной метки. В случае неудачи вписывания любой данной метки на стадии 280 из-за, видимо, отсутствия дефектов в объеме вокруг сфокусированного записывающего лазерного луча, центральному процессору 20 сообщают о событии неудачи и определяют новое положение для гравирования метки, как показано на стадии 290 на фиг.10А. На стадии 300 рассчитывают идентификационный код, измененный в соответствии с вновь определенным положением метки, затем на стадиях 230-240 подтверждают его действительность. Затем на стадии 270 начинают лазерное мечение в новом положении. Операции повторяют, пока метку не удастся успешно вписать, и весь способ применяют ко всему набору меток, образующих знак. В результате идентификационный код и связанный с ним знак, полученные в конце стадии 310 успешной операции мечения, могут существенно отличаться от таковых, созданных в самом начале операции мечения, особенно при гравировании в драгоценных камнях, имеющих очень высокую прозрачность.The proposed method allows you to get rid of the disadvantage caused by a random distribution of internal defects and impurities in the gem to be labeled by real-time monitoring of the growth of each individual label. In the event that any given mark is unsuccessful in step 280 due to apparently no defects in the volume around the focused recording laser beam, the failure event is reported to the central processor 20 and a new position for engraving the mark is determined, as shown in step 290 in FIG. 10A . At step 300, an identification code calculated in accordance with the newly determined position of the mark is calculated, then validity is confirmed at steps 230-240. Then, at step 270, laser marking is started in a new position. The operations are repeated until the label can be successfully entered, and the whole method is applied to the entire set of labels forming the sign. As a result, the identification code and the associated mark obtained at the end of step 310 of the successful tagging operation may differ significantly from those created at the very beginning of the tagging operation, especially when engraving in precious stones having very high transparency.

Фиг.11 представляет собой оптический микрофотоснимок, на котором показан квадратный 5×5 массив точечных меток, вписанных управляемым образом на глубине примерно 300 мкм ниже таблички самородного алмаза в соответствии с примерным протоколом лазерного мечения. Выбранный протокол предусматривал подачу на драгоценный камень первой пары лазерных импульсов с длиной волны 775 нм и длительностью примерно 150 фс, измеренных прямо на выходе лазерной системы. Эти два лазерных импульса были разделены временным интервалом 1 мс. Лазерные импульсы были сфокусированы объективом, состоявшим из одной асферической линзы, имевшей числовую апертуру 0,5 для поперечного распределения интенсивности луча диаметром примерно 8 мм в ее входном зрачке. Энергия импульсов записывающего лазерного луча, измеренная на входном зрачке фокусирующего объектива, была чуть меньше 1 мкДж. Успешные пары лазерных импульсов с характеристиками, идентичными приведенным выше, направлялись на участки, пока окончательный диаметр каждой метки не достигал примерно 3-5 мкм. В процессе мечения для контроля постепенного роста знака каждый участок отображался на камеру на ПЗС. Метку подходящего диаметра можно было успешно вписывать в каждом из 25 разных участков этого конкретного образца алмаза. Число пар импульсов, необходимых для вписывания метки подходящего диаметра, менялось от участка к участку, но для указанной энергии импульсов ни разу не превышало пяти. Глубина, на которой были вписаны метки, несколько менялась от участка к участку, так что поймать изображения всех меток в резкий фокус на одном и том же микрофотоснимке было невозможно. Расстояние между соседними метками, показанными на фиг.11, составляет примерно 50 мкм. Массив точечных меток охватывает площадь примерно 250×250 мкм, что соответствует типичному общему размеру знака, выгравированного в соответствии с предлагаемым способом.11 is an optical microphotograph showing a 5 × 5 square array of point marks inscribed in a controlled manner at a depth of about 300 μm below the native diamond plate in accordance with an exemplary laser tagging protocol. The selected protocol provided for the supply to the gem of the first pair of laser pulses with a wavelength of 775 nm and a duration of about 150 fs, measured directly at the output of the laser system. These two laser pulses were separated by a time interval of 1 ms. The laser pulses were focused by a lens consisting of a single aspherical lens having a numerical aperture of 0.5 for the transverse distribution of the beam intensity with a diameter of about 8 mm in its entrance pupil. The pulse energy of the recording laser beam, measured at the entrance pupil of the focusing lens, was slightly less than 1 μJ. Successful pairs of laser pulses with characteristics identical to those given above were sent to the sites until the final diameter of each mark reached about 3-5 microns. During labeling, to control the gradual growth of the sign, each area was displayed on the camera at the CCD. A label of a suitable diameter could be successfully entered in each of 25 different sections of this particular sample of diamond. The number of pairs of pulses required to enter a label of a suitable diameter varied from site to site, but for the indicated pulse energy it never exceeded five. The depth at which the marks were inscribed changed somewhat from site to site, so it was impossible to catch the images of all the marks in sharp focus on the same microphotograph. The distance between adjacent marks shown in FIG. 11 is about 50 μm. The array of point marks covers an area of approximately 250 × 250 μm, which corresponds to a typical total size of the sign engraved in accordance with the proposed method.

Возвращаясь к фиг.10В, на стадии 320 оптическим считывающим устройством 28, которое является частью станции лазерного мечения 26, снимают машинно-считываемое изображение знака, вновь выгравированного в объеме драгоценного камня. На стадии 330 из изображения знака центральным процессором 20 извлекают идентификационный код и на стадии 340 этот идентификационный код сравнивают с идентификационным кодом, который на данный момент был действительным в конце операции мечения. Теоретически, оба этих идентификационных кода должны быть идентичными, но возможные неудачи или неисправная работа аппаратных средств станции лазерного мечения 26 могут привести к различиям между требуемым идентификационным кодом и тем, который соответствует знаку, действительно выгравированному в объеме драгоценного камня 120. При возникновении этого события центральным процессом 20 на стадии 350 оператору станции лазерного мечения выдают предупреждение. После этого на стадии 360 вновь выгравированный драгоценный камень регистрируют в системе аутентификации путем записи в базе данных 22 идентификационного кода, извлеченного на стадии 330, вместе с некоторыми другими идентификационными данными. В пакет данных, который вносят в базу данных, могут включать конкретное изображение, которое сняли оптическим считывающим устройством 28, а затем обработали с помощью ЦП 20 для извлечения идентификационного кода драгоценного камня. Наконец, на стадии 370 распечатывают свидетельство аутентификации и на этом последовательность операций завершают.Returning to FIG. 10B, at step 320, an optical reader 28, which is part of the laser tagging station 26, captures a machine-readable image of a sign again engraved in the volume of the gem. In step 330, an identification code is extracted from the sign image by the central processor 20, and in step 340 this identification code is compared with the identification code that was currently valid at the end of the tagging operation. Theoretically, both of these identification codes should be identical, but possible malfunctions or malfunctioning of the hardware of the laser tagging station 26 can lead to differences between the required identification code and the one that corresponds to the sign actually engraved in the volume of the gemstone 120. When this event occurs, the central by process 20, at step 350, a warning is issued to the operator of the laser tagging station. Thereafter, in step 360, the newly engraved gemstone is registered in the authentication system by recording in the database 22 the identification code extracted in step 330, together with some other identification data. A specific image can be included in the data packet that is entered into the database, which was captured by the optical reader 28, and then processed by the CPU 20 to extract the gemstone identification code. Finally, at step 370, an authentication certificate is printed out and the process is completed.

Хотя выше описан предпочтительный вариант осуществления изобретения с его различными аспектами, это описание необходимо рассматривать как иллюстрацию варианта осуществления изобретения, а не как описание его намеченного объема. Объем станет понятнее из раскрытия в целом.Although the preferred embodiment of the invention has been described above with its various aspects, this description should be considered as an illustration of an embodiment of the invention, and not as a description of its intended scope. The volume will become clearer from the disclosure as a whole.

Claims (40)

1. Способ адаптивного управления созданием знаков в объеме образца драгоценного камня с использованием последовательности импульсов в фемтосекундном диапазоне, сфокусированных ниже поверхности указанного образца, причем указанными знаками указанный образец идентифицируют, не затрагивая поверхность образца, и указанные знаки делают невидимыми при 10-кратном увеличении, который включает следующие стадии:
стадию, на которой задают отличительные признаки знаков, подлежащих созданию;
стадию, на которой выполняют заданный протокол мечения для указанной последовательности лазерных импульсов с использованием параметров, которые выбирают из группы, включающей длину волны, длительность импульса, число импульсов, частоту следования, энергию импульса, числовую апертуру фокусирующей оптики и координаты мишени;
стадию, на которой в процессе выполнения указанного протокола контролируют создание указанных знаков; и стадию, на которой прекращают дальнейшее выполнение указанного протокола, если при указанном контроле обнаруживают проявление указанными знаками указанных отличительных признаков.
1. A method for adaptively controlling the creation of characters in a gemstone sample volume using a sequence of pulses in the femtosecond range focused below the surface of the specimen, said characters identifying the specimen without affecting the specimen surface and making the characters invisible at 10x magnification, which includes the following stages:
the stage at which the distinguishing features of the characters to be created are defined;
the stage at which the specified labeling protocol is performed for the indicated sequence of laser pulses using parameters selected from the group including wavelength, pulse duration, number of pulses, repetition rate, pulse energy, numerical aperture of the focusing optics and target coordinates;
the stage at which during the execution of the specified Protocol control the creation of these characters; and the stage at which the further execution of the specified protocol is stopped if, when the specified control, the manifestation of the indicated distinctive features by the indicated signs is detected.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные отличительные признаки выбирают из группы, включающей форму, размер, оптические свойства и расположение в образце.2. The method according to claim 1, characterized in that these distinctive features are selected from the group including shape, size, optical properties and location in the sample. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в указанные отличительные признаки включают размер, и указанным размерам берут размер, который не снижает коммерческую ценность указанного образца.3. The method according to claim 2, characterized in that the indicated distinctive features include the size, and the specified sizes take a size that does not reduce the commercial value of the specified sample. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в указанную стадию контроля включают контроль создания указанных знаков в процессе выполнения указанного протокола и, исходя из результата указанного контроля, изменяют по меньшей мере один их указанных параметров.4. The method according to claim 2, characterized in that said control stage includes controlling the creation of said characters during the execution of said protocol and, based on the result of said control, changing at least one of said parameters. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в указанный протокол мечения включают несколько наборов указанных параметров для последовательного выполнения указанных наборов.5. The method according to claim 1, characterized in that in the specified labeling protocol include several sets of these parameters for the sequential execution of these sets. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в каждый последовательный набор включают изменение энергии импульса в превышение энергии импульса в предшествующем наборе в последовательности.6. The method according to claim 5, characterized in that each sequential set includes a change in pulse energy in excess of the pulse energy in the previous set in the sequence. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанной контроль выполняют с использованием оптического устройства визуализации для оценки присутствия указанных отличительных признаков.7. The method according to claim 1, characterized in that the control is performed using an optical imaging device to assess the presence of these distinctive features. 8. Способ по п.7, включающий также стадию, на которой используют светосильный фотодетектор для обнаружения импульсов света, сигнализирующих о структурных изменениях в указанном образце, и светофильтр.8. The method of claim 7, further comprising the step of using a fast photodetector to detect light pulses signaling structural changes in said sample and a light filter. 9. Способ по любому из пп.1, 5 - 8, отличающийся тем, что в качестве указанного образца драгоценного камня берут алмаз.9. The method according to any one of claims 1, 5 to 8, characterized in that a diamond is taken as the specified sample of the precious stone. 10. Способ адаптивного управления для управления нанесением знаков в объеме образца драгоценного камня с использованием последовательности импульсов в фемтосекундном диапазоне, сфокусированных ниже поверхности указанного образца, причем указанными знаками указанный образец идентифицируют, не затрагивая поверхность образца, и указанные знаки делают невидимыми при 10-кратном увеличении, который включает следующие стадии:
стадию, на которой под управлением процессора создают идентификационный код для привязки к указанному образцу;
стадию, на которой определяют отличительный рисунок для нескольких знаков, соответствующий указанному идентификационному коду;
стадию, на которой под управлением указанного процессора выполняют протокол мечения для указанной последовательности лазерных импульсов путем прикладывания указанных импульсов с целью последовательного создания каждого из указанных знаков в соответствии с указанным отличительным рисунком; и
стадию, на которой управляют указанным процессором таким образом, что если при выполнении указанного протокола создают один, а не все из указанных знаков в соответствии с указанным обличительным рисунком, посредством указанного процессора обеспечивают создание нового идентификационного кода, соответствующего новому отличительному рисунку, согласующемуся с теми из указанных знаков, которые успешно создали, и при необходимости в этом посредством процессора выполняют протокол мечения для создания дополнительных знаков с целью завершения указанного нового отличительного рисунка.
10. Adaptive control method for controlling the application of signs in the volume of a gemstone using a sequence of pulses in the femtosecond range focused below the surface of the specified sample, with the indicated signs the specified sample is identified without affecting the surface of the sample, and these signs are made invisible at 10x magnification which includes the following steps:
the stage at which, under the control of the processor, an identification code is created for binding to the specified sample;
the stage at which the distinctive pattern for several characters is determined, corresponding to the specified identification code;
the stage at which, under the control of the specified processor, the labeling protocol is performed for the indicated sequence of laser pulses by applying the indicated pulses in order to sequentially create each of the indicated characters in accordance with the specified distinctive pattern; and
the stage at which the specified processor is controlled in such a way that if, when the specified protocol is executed, one, and not all, of the indicated characters is created in accordance with the specified accusatory pattern, the specified processor creates a new identification code corresponding to the new distinctive pattern, consistent with those of of said characters that have been successfully created, and if necessary, by means of a processor, execute a tagging protocol to create additional characters in order to complete Ia said new distinctive pattern.
11. Способ по п.10, включающий также стадию, на которой по очереди контролируют создание каждого из указанных нескольких знаков.11. The method of claim 10, further comprising a step in which the creation of each of the several characters is in turn controlled. 12. Способ по п.10, включающий также стадию, на которой после завершения создания указанного отличительного рисунка знаков или указанного нового отличительного рисунка знаков указанный идентификационный код или указанный новый идентификационный код, в зависимости от обстоятельств, регистрируют в базе данных.12. The method of claim 10, further comprising the step of: upon completion of the creation of said distinctive character pattern or said new distinctive character pattern, said identification code or said new identification code, as the case may be, is recorded in the database. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что указанная стадия создания идентификационного кода включает далее стадию, на которой по указанной базе данных проверяют, существует ли указанный идентификационный код, создают дополнительный идентификационный код, и по указанной базе данных проверяют, существует ли указанный дополнительный идентификационный код.13. The method according to p. 12, characterized in that the specified stage of creating an identification code further includes a stage in which the specified database checks whether the specified identification code, creates an additional identification code, and checks the specified database if the specified additional identification code. 14. Способ по любому из пп.10 - 13, отличающийся тем, что в качестве указанного образца драгоценного камня берут алмаз.14. The method according to any one of paragraphs.10 to 13, characterized in that the diamond is taken as the specified sample of the precious stone. 15. Система аутентификации драгоценных камней, содержащая:
устройство мечения для нанесения рисунков знаков в объеме драгоценных камней с использованием последовательности ультракоротких лазерных импульсов, сфокусированных ниже поверхности драгоценных камней, причем указанные знаки невидимы при 10-кратном увеличении;
базу данных, однозначно увязывающую идентификационный код с каждым из указанных рисунков знаков;
несколько считывающих устройств, связанных с несколькими дистанционными расположениями, для обнаружения указанных рисунков знаков; и
процессор, конструктивно исполненный для связи с указанным устройством мечения, указанной базой данных и указанными считывающими устройствами.
15. A gem authentication system comprising:
a marking device for applying patterns of signs in the volume of precious stones using a sequence of ultrashort laser pulses focused below the surface of the precious stones, and these signs are invisible at 10x magnification;
a database that uniquely associates an identification code with each of these patterns of characters;
several readers associated with several remote locations to detect the specified patterns of characters; and
a processor structurally configured to communicate with said tagging device, said database, and said reading devices.
16. Система по п.15, отличающаяся тем, что указанная база данных далее увязывает указанный идентификационный код с данными, относящимися к одному из указанных драгоценных камней.16. The system of claim 15, wherein said database further associates said identification code with data relating to one of said gemstones. 17. Система по п.15, отличающаяся тем, что указанный процессор предназначен для передачи команд указанному устройству мечения на нанесение одного из указанных рисунков знаков в одном из указанных драгоценных камней.17. The system according to clause 15, wherein the specified processor is designed to transmit commands to the specified tagging device to apply one of the indicated patterns of signs in one of these gems. 18. Система по п.15, отличающаяся тем, что указанный процессор конструктивно исполнен для связи с указанными дистанционными расположениями, для приема из одного из указанных дистанционных расположений информации, которая идентифицирует один из указанных рисунков знаков, для поиска и извлечения из указанной базы данных указанных данных и передачи указанных данных в одно из указанных дистанционных расположений.18. The system of clause 15, wherein said processor is structurally designed to communicate with said remote locations, for receiving information from one of said remote locations that identifies one of said character patterns, for searching and retrieving from said database data and transmitting said data to one of said remote locations. 19. Система по п.15, отличающаяся тем, что указанное устройство мечения содержит также оптическое устройство визуализации для оценки создания знаков в реальном масштабе времени, причем указанный процессор конструктивно исполнен для
управления работой указанного устройства мечения в зависимости от состояния создания знаков;
подгонки параметров указанной последовательности лазерных импульсов в соответствии с оценкой создания знаков в реальном масштабе времени; и
сообщения указанной базе данных об успешном нанесении рисунка знаков.
19. The system of clause 15, wherein said tagging device also includes an optical imaging device for evaluating the creation of characters in real time, and the specified processor is structurally designed for
control the operation of the specified tagging device depending on the state of the creation of characters;
fitting the parameters of the specified sequence of laser pulses in accordance with the assessment of the creation of characters in real time; and
messages to the specified database about the successful drawing of the character pattern.
20. Система по п.19, отличающаяся тем, что указанный процессор конструктивно исполнен для выбора альтернативного рисунка знаков в случае, если заданный рисунок знаков не нанесен успешно на указанные драгоценные камни.20. The system according to claim 19, characterized in that said processor is structurally designed to select an alternative pattern of characters in case the specified pattern of characters is not successfully applied to said gemstones. 21. Система по п.20, отличающаяся тем, что указанный процессор конструктивно исполнен для консультации с указанной базой данных при выборе указанного альтернативного рисунка знаков.21. The system according to claim 20, characterized in that said processor is structurally executed for consultation with said database when selecting said alternative character pattern. 22. Способ адаптивного управления для управления созданием знаков в объеме образца драгоценного камня, причем указанными знаками указанный образец идентифицируют, не затрагивая поверхность образца, и указанные знаки делают невидимыми при 10-кратном увеличении, который включает следующие стадии:
стадию, на которой устанавливают протокол мечения для системы мечения ультракороткими лазерными импульсами, причем в указанный протокол включают несколько заданных наборов параметров, и в каждый набор включают параметры, которые выбирают из группы, включающей длину волны, длительность импульса, число импульсов, частоту следования, энергию импульса, числовую апертуру фокусирующей оптики и координаты мишени;
стадию, на которой предпринимают попытку создать знак путем исполнения первого набора параметров, которые определяют указанным протоколом;
стадию, на которой оценивают, создали ли знак, используя указанный первый набор параметров;
стадию, на которой, если знак не создали, предпринимают попытку создать знак в соответствии со вторым набором параметров, которые задают указанным протоколом.
22. An adaptive control method for controlling the creation of characters in a gemstone sample volume, wherein said characters are identified by said characters without affecting the surface of the sample, and said characters are made invisible at 10x magnification, which includes the following steps:
the stage at which the labeling protocol is set for the labeling system with ultrashort laser pulses, and several specified parameter sets are included in the specified protocol, and parameters are selected in each set, which are selected from the group including wavelength, pulse duration, number of pulses, repetition rate, energy pulse, numerical aperture of focusing optics and target coordinates;
the stage at which an attempt is made to create a character by executing the first set of parameters that are determined by the specified protocol;
the stage at which it is evaluated whether the character was created using the specified first set of parameters;
a stage in which, if a character has not been created, an attempt is made to create a character in accordance with a second set of parameters that are specified by the specified protocol.
23. Способ по п.22, отличающийся тем, что в качестве указанного образца драгоценного камня берут алмаз.23. The method according to item 22, wherein the diamond is taken as the specified sample of the gemstone. 24. Устройство для нанесения знаков в объеме драгоценных камней, причем указанные знаки идентифицируют указанные драгоценные камни и невидимы при 10-кратном увеличении, содержащее:
лазерную систему для фокусирования лазерных импульсов длительностью менее 100 фемтос на выбранных глубинах ниже поверхности драгоценного камня;
запоминающее средство, содержащее протокол мечения, содержащий параметры для работы указанной лазерной системы, причем указанные параметры задаются и выбираются из группы, включающей длительность импульса, число импульсов, частоту следования, энергию импульса и числовую апертуру;
центральный процессор (ЦП) для управления работой указанной лазерной системы в соответствии с указанным протоколом мечения; и
блок контроля процесса для оценки создания каждого знака.
24. A device for applying marks in the amount of gemstones, said signs identifying said gems and being invisible at 10x magnification, comprising:
a laser system for focusing laser pulses with a duration of less than 100 femtos at selected depths below the surface of the gem;
storage means comprising a labeling protocol containing parameters for operation of said laser system, said parameters being set and selected from the group including pulse duration, number of pulses, repetition rate, pulse energy and numerical aperture;
a Central processing unit (CPU) for controlling the operation of the specified laser system in accordance with the specified labeling protocol; and
a process control unit for evaluating the creation of each character.
25. Устройство по п.24, отличающееся тем, что указанный ЦП управляет работой указанной лазерной системы в соответствии с оценкой - блоком контроля процесса - создания указанного знака.25. The device according to paragraph 24, wherein the specified CPU controls the operation of the specified laser system in accordance with the assessment - the process control unit - create the specified sign. 26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что указанный протокол включает несколько наборов указанных параметров для последовательного выполнения, и указанный ЦП действует таким образом, чтобы обеспечить выполнение второго набора указанных параметров, если при первом наборе параметров вызвать создание знака не удается.26. The device according A.25, characterized in that the specified protocol includes several sets of these parameters for sequential execution, and the specified CPU operates in such a way as to ensure the execution of the second set of these parameters, if the first set of parameters does not cause the creation of a character. 27. Устройство по п.26, отличающееся тем, что указанный второй набор имеет другую энергию импульса, чем указанный первый набор.27. The device according to p, characterized in that the specified second set has a different pulse energy than the specified first set. 28. Устройство по п.24 или 27, отличающееся тем, что указанный блок контроля процесса содержит устройство оптической визуализации.28. The device according to paragraph 24 or 27, characterized in that said process control unit comprises an optical imaging device. 29. Устройство по п.24 или 27, отличающееся тем, что указанный блок контроля процесса содержит светофильтр в сочетании со светосильным фотодетектором.29. The device according to paragraph 24 or 27, characterized in that the process control unit comprises a filter in combination with a fast photodetector. 30. Устройство по п.24 или 27, содержащее также подсистему диагностики записывающего луча, содержащую по меньшей мере один оптический канал, выбранный из группы, включающей средство съемки изображений, счетчик импульсов и измеритель оптической мощности.30. The device according to paragraph 24 or 27, also containing a diagnostic subsystem of the recording beam, comprising at least one optical channel selected from the group including image pickup means, a pulse counter, and an optical power meter. 31. Устройство по п.24, содержащее также базу данных для однозначного увязывания данных для каждого из нескольких драгоценных камней с рисунками знаков, записанных в указанных драгоценных камнях, отличающееся тем, что указанный ЦП обеспечивает выполнение указанного протокола мечения с координатами мишени, определенными одним из указанных рисунков знаков.31. The device according to paragraph 24, also containing a database for unambiguously linking data for each of several gemstones with patterns of signs recorded in said gemstones, characterized in that said CPU ensures the execution of the indicated tagging protocol with target coordinates determined by one of specified character drawings. 32. Устройство по п.26, содержащее также базу данных для однозначного увязывания данных для каждого из нескольких драгоценных камней с рисунками знаков, записанных в указанных драгоценных камнях, отличающееся тем, что указанный ЦП конструктивно исполнен для выполнения указанного протокола мечения с координатами мишени, определенными одним из указанных рисунков знаков, и, если при выполнении указанного протокола один знак каждого рисунка не создается, для связи с указанной базой данных для поиска и извлечения альтернативного рисунка знаков.32. The device according to p. 26, also containing a database for unambiguously linking data for each of several precious stones with patterns of signs recorded in these precious stones, characterized in that the CPU is structurally designed to perform the specified tagging protocol with target coordinates defined one of the indicated patterns of characters, and if during the execution of the specified protocol one character of each pattern is not created, to communicate with the specified database for searching and retrieving an alternative pattern, the character in. 33. Устройство по любому из пп.24 - 27, отличающееся тем, что указанными драгоценными камнями является алмаз.33. The device according to any one of paragraphs.24 to 27, characterized in that said precious stones are diamond. 34. Устройство по п.25, отличающееся тем, что указанный ЦП действует для изменения параметров, по которым указанная работа управляется, в соответствии с оценкой - блоком контроля процесса - создания указанных знаков.34. The device according A.25, characterized in that the CPU is used to change the parameters by which the specified work is controlled, in accordance with the assessment - the process control unit - the creation of these characters. 35. Образец драгоценного камня, содержащий подповерхностные знаки для идентификации указанного образца, причем указанные подповерхностные знаки невидимы при 10-кратном увеличении и нанесены способом по пп.1, 10 или 22.35. A gemstone specimen containing subsurface marks for identifying said specimen, said subsurface marks being invisible at 10x magnification and applied by the method according to claims 1, 10 or 22. 36. Образец по п.35, отличающийся тем, что указанный образец представляет собой алмаз.36. The sample according to clause 35, wherein the specified sample is a diamond. 37. Образец драгоценного камня, содержащий несколько подповерхностных знаков, помеченных в нем для идентификации указанного образца, отличающийся тем, что указанные несколько знаков закодированы в виде пространственного расположения локализованных зон, и тем, что указанная локализованная зона проявляет оптические характеристики, отличающиеся от таковых окружения указанной локализованной зоны, причем указанные знаки невидимы при 10-кратном увеличении.37. A gemstone specimen containing several subsurface marks marked in it to identify the specified specimen, characterized in that said several marks are encoded in the spatial arrangement of localized zones, and in that said localized zone exhibits optical characteristics different from those of the environment of said localized zone, and these signs are invisible at 10x magnification. 38. Образец по п.37, отличающийся тем, что первое подмножество указанных нескольких подповерхностных знаков определяет систему координат, а второе подмножество указанных нескольких подповерхностных знаков кодирует идентификационные данные указанного образца.38. The sample according to clause 37, wherein the first subset of these several subsurface characters defines a coordinate system, and the second subset of these several subsurface characters encodes the identity of the specified sample. 39. Способ адаптивного управления для управления нанесением знаков в объеме образца драгоценного камня, причем указанными знаками указанный образец идентифицируют, не затрагивая поверхность образца, и указанные знаки делают невидимыми при 10-кратном увеличении, с использованием последовательности импульсов фемтосекундном диапазоне, сфокусированных ниже поверхности указанного образца, который включает следующие стадии:
стадию, на которой задают отличительные признаки знаков, подлежащих созданию;
стадию, на которой под управлением процессора создают идентификационный код для привязки к указанному образцу;
стадию, на которой определяют отличительный рисунок для нескольких знаков, соответствующий указанному идентификационному коду;
стадию, на которой выполняют протокол мечения для указанной последовательности лазерных импульсов путем прикладывания указанных импульсов с целью последовательного создания каждого из указанных знаков в соответствии с указанным отличительным рисунком с использованием параметров, которые выбирают из группы, включающей длину волны, длительность импульса, число импульсов, частоту следования, энергию импульса, числовую апертуру фокусирующей оптики и координаты мишени;
стадию, на которой в процессе выполнения указанного протокола контролируют создание указанных знаков;
стадию, на которой управляют указанным процессором таким образом, что, если при выполнении указанного протокола создают один, а не все из указанных знаков в соответствии с указанным отличительным рисунком, посредством указанного процессора обеспечивают создание нового идентификационного кода, соответствующего новому отличительному рисунку, согласующемуся с теми из указанных знаков, которые успешно создали, и при необходимости в этом посредством процессора выполняют протокол мечения для создания дополнительных знаков с целью завершения указанного нового отличительного рисунка;
стадию, на которой прекращают дальнейшее выполнение указанного протокола, если обнаруживают проявление указанными знаками указанных отличительных признаков; и
стадию, на которой после завершения создания указанного отличительного рисунка знаков или указанного нового отличительного рисунка знаков указанный идентификационный код или указанный новый идентификационный код, в зависимости от обстоятельств, регистрируют в базе данных.
39. Adaptive control method for controlling the application of signs in the gemstone sample volume, wherein said characters are identified without specifying the surface of the specimen, and the characters are made invisible at 10x magnification using a sequence of pulses in the femtosecond range focused below the surface of the specimen which includes the following steps:
the stage at which the distinguishing features of the characters to be created are defined;
the stage at which, under the control of the processor, an identification code is created for binding to the specified sample;
the stage at which the distinctive pattern for several characters is determined, corresponding to the specified identification code;
the stage at which the labeling protocol is performed for the indicated sequence of laser pulses by applying the indicated pulses in order to sequentially create each of the indicated characters in accordance with the specified distinctive pattern using parameters that are selected from the group including wavelength, pulse duration, number of pulses, frequency following, pulse energy, numerical aperture of the focusing optics and target coordinates;
the stage at which during the execution of the specified Protocol control the creation of these characters;
the stage at which the specified processor is controlled in such a way that if, when the specified protocol is executed, one, and not all of the indicated characters are created in accordance with the specified distinctive pattern, the specified processor creates a new identification code corresponding to the new distinctive pattern, consistent with those of the indicated characters that have been successfully created, and if necessary, the tagging protocol is executed by the processor to create additional characters in order to complete niya specified new distinctive pattern;
the stage at which the further execution of the specified protocol is stopped if the manifestation of the indicated distinctive features by the indicated signs is detected; and
the stage at which, after completion of the creation of said distinctive character pattern or said new distinctive character pattern, said identification code or said new identification code, as the case may be, is recorded in the database.
40. Способ по п.39, отличающийся тем, что в качестве указанного образца драгоценного камня берут алмаз. 40. The method according to § 39, characterized in that the diamond is taken as the specified sample of the precious stone.
RU2007135628/03A 2005-08-22 2005-08-26 Method and system for laser marking precious stones, such as diamonds RU2357870C1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/161,917 US7284396B2 (en) 2005-03-01 2005-08-22 Method and system for laser marking in the volume of gemstones such as diamonds
US11/161,917 2005-08-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2357870C1 true RU2357870C1 (en) 2009-06-10

Family

ID=41024676

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007135628/03A RU2357870C1 (en) 2005-08-22 2005-08-26 Method and system for laser marking precious stones, such as diamonds

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2357870C1 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010128891A1 (en) * 2009-05-08 2010-11-11 Nizienko Yuri Konstantinovich Method for forming an identification mark for marking valuable items and a valuable item
RU2465377C1 (en) * 2011-06-30 2012-10-27 Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" Method of forming optically permeable image inside diamond, apparatus for realising said method (versions) and apparatus for detecting said image
RU2611232C2 (en) * 2011-07-27 2017-02-21 Александер ПОТЕМКИН Method for applying mark onto surface of diamond or cut diamond to determine its authenticity
RU2671150C1 (en) * 2017-08-31 2018-10-29 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method for forming defects in volume of dielectric sample with laser radiation
US20190366475A1 (en) * 2018-06-02 2019-12-05 Bruno Scarselli Asset Identification, Registration, Tracking and Commercialization Apparatuses and Methods
WO2020218940A1 (en) 2019-04-23 2020-10-29 Общество с ограниченной ответственностью "Микролазер" (ООО "Микролазер") Optically transparent mark for marking gemstones
RU2750068C1 (en) * 2020-08-28 2021-06-21 Акционерная Компания "АЛРОСА" (публичное акционерное общество) (АК "АЛРОСА" (ПАО)) Method for information recording inside diamond crystal

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010128891A1 (en) * 2009-05-08 2010-11-11 Nizienko Yuri Konstantinovich Method for forming an identification mark for marking valuable items and a valuable item
RU2465377C1 (en) * 2011-06-30 2012-10-27 Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" Method of forming optically permeable image inside diamond, apparatus for realising said method (versions) and apparatus for detecting said image
RU2611232C2 (en) * 2011-07-27 2017-02-21 Александер ПОТЕМКИН Method for applying mark onto surface of diamond or cut diamond to determine its authenticity
RU2671150C1 (en) * 2017-08-31 2018-10-29 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method for forming defects in volume of dielectric sample with laser radiation
US20190366475A1 (en) * 2018-06-02 2019-12-05 Bruno Scarselli Asset Identification, Registration, Tracking and Commercialization Apparatuses and Methods
WO2020218940A1 (en) 2019-04-23 2020-10-29 Общество с ограниченной ответственностью "Микролазер" (ООО "Микролазер") Optically transparent mark for marking gemstones
RU2750068C1 (en) * 2020-08-28 2021-06-21 Акционерная Компания "АЛРОСА" (публичное акционерное общество) (АК "АЛРОСА" (ПАО)) Method for information recording inside diamond crystal

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2606197C (en) Method and system for laser marking in the volume of gemstones such as diamonds
RU2357870C1 (en) Method and system for laser marking precious stones, such as diamonds
US8319145B2 (en) System and method for gemstone micro-inscription
JP3238875B2 (en) Apparatus and method for micro-engraving by laser energy
TWI753393B (en) Optically permeable mark for gemstone marking
US20140139608A1 (en) System and method for gemstone microinscription
RU2720100C1 (en) Method of creating and detecting optically permeable image inside diamond and detection system (embodiments)
RU2611232C2 (en) Method for applying mark onto surface of diamond or cut diamond to determine its authenticity
RU2750068C1 (en) Method for information recording inside diamond crystal
RU2465377C1 (en) Method of forming optically permeable image inside diamond, apparatus for realising said method (versions) and apparatus for detecting said image
CN112296511B (en) Method and device for processing, reading and detecting miniature marks of precious stones
CN112771595B (en) Light-transmitting mark for precious stone mark

Legal Events

Date Code Title Description
TK4A Correction to the publication in the bulletin (patent)

Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 16-2009 FOR TAG: (30)

TK4A Correction to the publication in the bulletin (patent)

Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 16-2009 FOR TAG: (30)

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150827